BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

[email protected] CERN Hungarian Teachers Programme 2015. augusztus 17-‐21.

HTP2015

Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

1

PROGRAM •  Részecskefizika célja, eszközei •  Elemi részecskék és kölcsönhatásaik •  Szimmetriák a részecskefizikában •  Elemi részecskék tömege és a Higgs-‐bozon •  Neutrínók •  A Standard Modellen túl

HTP2015


2

1. RÉSZ

Mit vizsgál a részecskefizika és milyen eszközökkel? Elemi részecskék és kölcsönhatásaik

HTP2015


3

A KÉRDÉS: MIK A VILÁGEGYETEM ELEMI ÉPÍTŐKÖVEI? Mik az elemi részecskék? A közöcük ható erők, kölcsönhatások? ~10-‐10 m

Elemi részecske: •  Belső szerkezet nélküli. •  Nem feltétlenül stabil, elbomolhat más részecskékre.

~10-‐14 m ~10-‐15 m

< 10-‐18 m HTP2015

e-‐

kvark


4

A"STANDARD"MODELL" A VÁLASZ: A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Kvarkok"

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down" Leptonok"

H"

t" top"

HiggsI" bozon"

(felső)"

s" b" strange" bo=om"

g"

(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

gluon"

e"

μ"

!"

""

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"

elektronI" müonI" tauI" neutrínó" neutrínó" neutrínó"

foton"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok" HTP2015

KölcsönI" hatás" közveUtő" mérték" bozonok"


Bozonok" 5

A VÁLASZ: A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE A MATEMATIKA NYELVÉN

L =

1 a aµ Fµ F 4 ¯ +i⇥D⇥ + h.c. +⇥i ij ⇥j 2 +|Dµ |

+ h.c. V( )

(Forces) (Erők) (Interacoons) (Kölcsönhatások) (Flavour) (Fermionok tömege)

(Elektrogyenge (EWSB) szimmetriasértés)

A Standard Modell Lagrange függvénye HTP2015


6

A MEGISMERÉS ÚTJA Több mint 100 ötletekkel, elméletekkel és kísérletekkel teli év ~30 Nobel-‐díj

HTP2015


7

AMIT KÖZÉPISKOLÁBAN TANULUNK: AZ ATOM RÖVID TÖRTÉNETE •  •  •  •  •  •  •  ~10-‐10 m

•  • 

~10-‐14 m

•  • 

~10-‐15 m

< 10-‐18 m

HTP2015

e-‐

•  •  •  kvark •  • 

I.e. 6. évszázad, India I.e. 5. évszázad, Görögország, Leukipposz, majd i.e. 450, Démokritész 1805, John Dalton: modern atomelmélet 1827, Robert Brown: kis részecskék véletlenszerű mozgása folyadékban à 1905, Albert Einstein: molekulák lökdösik 1869, Dmitri Mengyelejev: kémiai elemek periódusos rendszere 1897, J.J. Thomson: katódsugárzás q/m mérése ➝ elektron, minden atom része 1909, Ernest Rutherford: α részecskék szórása vékony arany fólián ➝ atommag, az atom “bolygórendszer” modellje 1913, Frederick Soddy: izotópok 1913, Henry Moseley: atommag töltés = periódusos rendszerbeli pozíció (Antonius van den Broek hipotézise) 1919, Rutherford, Hidrogén atommag minden más atommag része, proton 1919, Francis William Aston: tömeg spektrométer, izotóp-‐tömeg egész-‐szám szabály 1932, James Chadwick: neutron 1913, Niels Bohr: atom model kvantált elektronpályákkal (színképvonalak) 1924, Louis de Broglie: részecske – hullám kecősség 1926, Erwin Schrödinger: atom matemaokai modellje 3D elektron hullámokkal 1964, Murray Gell-‐Mann és George Zweig: kvarkok Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

8

AZ ATOM

Nem méretarányos! HTP2015


9

AZ ATOM

Nem méretarányos! HTP2015


10

Kineokus elmélet, Termodinamika

Boltzmann

Részecskék

1895

1900

Brown mozgás

Atom Atommag

1920

1930

e+

p-‐ νe

1970

νµ τ-‐ ντ

1990

2010

HTP2015

Geiger számláló

p+

Kvantum mechanika

Hullám / részecske

Fermionok / Bozonok

n

Spin Antianyag

Kozmikus sugarak

Fermi β-bomlás

Yukawa

π csere

Általános relativitáselmélet

Ködkamra

Galaxisok; táguló világgegyetem

Ciklotron

Sötét anyag Magfúzió

1960

2000

Speciális relativitáselmélet

π

Hadronok  (“particle   zoo”)"

u d s c STANDARD MODELL b

P, C, CP sértés

QED

Ősrobbanás (“Big bang”)

Nukleoszintézis

Szinkrotron

Buborékkamra

e+e- ütköztető

W bozon

Higgs

GUT

Elektrogyenge egyesítés

Szuperhúrok

Infláció

gluon"

W"

Ionizációs gázkamra

Kozmikus hácérsugárzás

QCD szín

Szuperszimmetria

Z"

3 fermion család t

Gyorsító

Detektor

Radioaktivitás

foton"

μ -‐

1950

1980

Technológia

Electromágneses Gyenge Erős

1910

1975

Newton

Világegyetem

Terek

e-‐

1905

1940

Maxwell

Kozmikus hácérsugárzás egyenetlenségei (COBE, WMAP)

Nyaláb hűtés

Online számítógépek

p+p- ütköztető

Modern" detektorok" WWW

Sötét Energia (?) GRID

ν mass

H Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

From Rolf Landua 11

KITÉRŐ: MÉRTÉKEGYSÉGEK •  Energia: 1 eV = 1.6•10-‐19 J (elektron által felvec energia, amint áthalad 1V potencialkülönbségen) •  •  •  •  • 

Speciális relaovitáselmélet: E = mc2 és E2=p2c2+m02c4 Fénysebesség: c = 3·∙108 m/s ⇒ 1 Mértékegységek: [m] = [p] = [E] = eV (vagy keV, MeV, GeV, TeV) Proton nyugalmi tömege: mp = 1.67·∙10-‐27 kg = 938 MeV/c2 (vagy 938 MeV) Elektron nyugalmi tömege: me = 511 keV/c2 (vagy 511 keV)

•  Heisenberg határozatlansági reláció: Δx•Δp > h/4π, ΔE•Δt > h/4π •  Planck állandó: h/2π ≈ 1.05•10-‐34 J•s ≈ 6.6•10-‐16 eV•s ⇒ 1 •  p = 100 GeV/c impulzusú részecske ~10-‐18 m felbontással lát •  Elektromos töltés: proton töltése = 1 egység (1.6 ·∙ 10-‐19 Coulomb) HTP2015


12

A FELFEDEZÉS MÓDSZEREI •  Szórás kísérletek (példa: atommag felfedezése) •  Következtetés a megfigyelt rendszerek tulajdonságaiból: tömeg, spin, élecartam,… (példa: a kvark-‐modell megszületése)

HTP2015


13

RÉSZECSKE SZÓRÁS MINT MIKROSZKÓP: AZ ATOMMAG FELFEDEZÉSE Az eredmény értelmezése atommag elektron(felhő)

Cél-‐ tárgy ~1/8000 Detektor

Részecske forrás

HTP2015

Geiger-‐Marsden (Rutherford) kísérlet: az atommag felfedezése Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

Eredeo kísérleo elrendezés 14

KÍSÉRLETI ADATOK RENDSZEREZÉSE: A KVARKOK FELFEDEZÉSE •  A 1960-‐as évekre több száz erős kölcsönhatásban résztvevő részecskét fedeztek fel (“részecske állatkert”) •  1962, Murray Gell-‐Mann rendszerezi a részecskéket, bevezeo a ritkaság (strageness) kvantumszámot, és megjósolja az Ω-‐ = (sss) létezését (1969, Nobel díj) •  Javasolja (George Zweiggel párhuzamosan), hogy a sok hadron egyszerűen felépíthető három elemi részecskéből, a kvarkokból •  1964, Brookhaven, Ω-‐ felfedezése a megjósolt tulajdonságokkal •  A modern kvark modell megszüleok

“Nyolcas út”

Mezonok: kvark – anokvark pár Barionok: három-‐kvark állapot

Spin-‐0 mezon oktec

q: elektromos töltés s: strange-‐ kvark szám

Spin-‐1/2 baryon oktec HTP2015

Spin-‐3/2 baryon dekuplec Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

15

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE •  Az 1960-‐1970-‐es években dolgozták ki •  Egyesítec keretben írja le az anyag elemi alkotórészeit és a köztük fellépő elektromos, gyenge és erős nukleáris kölcsönhatásokat 19 kísérleoleg meghatározoc paraméter segítségével, igen nagy pontossággal •  Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam (1979 Nobel-‐díj, elektrogyenge elmélet) •  Két alapvető elméletre támaszkodik –  a kvantummechanikára, ami leírja az anyag viselkedését igen kis távolság skálákon –  a speciális relaovitáselméletre, ami leírja a fényét megközelítő sebességű részecskék viselkedését •  Nem a teljes történet! Neutrínó tömeg? Gravitáció? Sötét anyag, sötét energia? Anyag – anoanyag aszimmetria? …? HTP2015


16

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE 3 család

ANYAG Kvarkok"

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down" Leptonok"

H"

t" top"

HiggsI" bozon"

(felső)"


g"

(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

gluon"

e"

μ"

!"

""

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"


foton"

November"12,"2012"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

HTP2015



Bozonok"

G."Pásztor:"Property"measurements"of"a"new" HiggsIlike"boson"

17

FERMIONOK ÉS BOZONOK •  •  •  •  •  •  • 

Spin: belső impulzus-‐momentum Analógia: Föld forgása a tengelye körül → spin Föld keringése a Nap körül → pályamomentum Elemi részecskék esetében a spin nem köthető forgáshoz, hanem egy belső tulajdonság! Kvantum-‐rendszerekben az impulzusmomentum kvantált: h/2π • √[s•(s+1)], ahol s egész (0,1,2…) és fél-‐egész (1/2,3/2..) értékeket vehet fel Fermionok: fél-‐egész spinű részecskék (pl. az elektron, a proton, a neutron 1/2-‐spinű) Bozonok: egész spinű részecskék (pl. a foton, a pion 1-‐spinű) Fermionok és bozonok különbözően viselkednek –  a fermionok Fermi-‐Dirac staoszokával írhatók le, a Pauli-‐féle kizárási-‐elvet köveok, –  a bozonok a Bose-‐Einstein staoszokát köveok, és kondenzálódhatnak

HTP2015


18

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Meghatározó tulajdonságok: •  SPIN

Kvarkok"

1/2

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down" Leptonok"

1/2

t" top"


November"12,"2012"

g"

(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

gluon"

e"

μ"

!"

""

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"

H"

HiggsI" bozon"

(felső)"


HTP2015

0


1

foton"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

Bozonok"

s = 1/2, ...

s = 0, 1, ...



19

AZ ANYAG ÉPÍTŐKÖVEI: A FERMIONOK

4He

atom

Miért van három család, növekvő részecske tömegekkel? HTP2015


20

LEPTONOK (–1) elektron

muon

tau

(0) elektron-‐ muon-‐ tau-‐ neutrínó neutrínó neutrínó

Honnan származik és mennyi a neutrínók tömege? HTP2015

•  Elektromosan töltöc leptonok: a negaŠv töltésű elektron és nehezebb társai •  A nehéz töltöc leptonok gyorsan elbomlanak, például •  Semleges neutrínók: nagyon könnyűek (sokáig 0-‐ tömegűnek tartocák őket) és nehezen észlelhetők •  A neutrínók nagyon gyengén hatnak kölcsön, jelenlétükre fizikai folyamatokban általában a hiányzó energia és impulzus utal (←energia és impulzus megmaradás!)


21

LEPTONOK • 

(–1)

•  elektron

muon

tau

(0) elektron-‐ muon-‐ neutrínó neutrínó

tau-‐ neutrínó

•  • 

1897, J.J. Thomson, katódsugárzás vizsgálata: elektron NOBEL Carl Anderson, kozmikus sugarak vizsgálata ködkamrával –  1932, pozitron, az elektron ano-‐részecske NOBEL társa –  1936, muon (eleinte “μ-‐mezon”) 1930, Wolfgang Pauli, β-‐bomlás magyarázata: neutrínó hipotézis NOBEL 1956, C. Cowan & F. Reines, reaktor ano-‐νe kimutatása vízzel teli detektorral (neutron befogás + pozitron megsemmisülés)

ν e p → n e + , e + e− → γγ Magyar vonatkozás: 1957, Szalay Sándor és Csikai Gyula: Ano-‐neutrínó észlelés 6He β-‐bomlásában €

•  • 

hcp://epa.oszk.hu/00300/00342/00185/pdf/ FizSzem_EPA00342_2005_10_356-‐361.pdf

• 

NOBEL

1962, L.M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger, Brookhaven AGS neutrínó nyaláb: muon neutrínó NOBEL + -‐ 1974-‐7, M.L. Perl et al. (SLAC-‐LBL), SPEAR e e ütköztetőnél e+e-‐➝e±μ∓+Ehiányzó események: tau NOBEL 2000, DONUT kollaboráció (FNAL): tau neutrínó

HTP2015 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

22

Dirac rela_visz_kus hullám-‐ egyenlete szabad fermionokra:

e+ e–

Buborék kamra mágneses térben

ANYAG ÉS ANTI-‐ANYAG •  Dirac-‐egyenlet negaŠv energiájú megoldása (1928) •  Minden részecskének van egy ano-‐részecske párja, amely mindenben megegyezik vele csak a töltése ellentétes: proton (+) ó ano-‐proton (–) elektron (–) ó pozitron (+) •  Gravitáció azonosan hat részecskékre és ano-‐ részecskékre, mivel tömegük azonos •  A természetben β-‐bomlásban és kozmikus sugarak hatására a föld légkörében is keletkeznek •  Pozitron felfedezése kozmikus sugarak vizsgálatával (C. Anderson, 1932) •  Ha egy részecske és egy ano-‐részecske találkozik, energia felszabadulása közben megsemmisülnek •  Az univerzum születésekor azonos számban keletkeztek részecskék és ano-‐részecskék. Mi történt az an_-‐anyaggal?


23

KVARKOK • 

• 

fel

bájos

felső • 

le

furcsa

1964: M. Gell-‐Mann és G. Zweig felismeri, hogy a rengeteg részecske-‐ütköztetésben megfigyelt új részecske, megmagyarázható csupán három elemi alkotórész az u, d és s kvarkok létével 1970: S. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani megjósolja a c kvark létezését az íz-‐váltó semleges áramok elnyomásának magyarázatául NOBEL pl. K0L bomlás:

(beauty)

• 

alsó

•  •  • 

1973: M. Kobayashi, T. Maskawa megjósolja a b kvark létezését a CP-‐sértés magyarázatául NOBEL 1974: c kvark egyidejű felfedezése az USA BNL (S. Ting et al.) és SLAC (B. Richter et al.) NOBEL laboratóriumaiban 1977: b kvark felfedezése a FNAL-‐ban (USA) 1995: t kvark felfedezése a FNAL-‐ban Kvarkok nem figyelhetők meg szabadon, csupán kötöc állapotban, részecskékbe zárva


24

A KVARKOK SZÍNE Problémák a kvark modellel •  Δ++ = (u⇡ u⇡ u⇡) 3 azonos fermion, mi van a Pauli-‐kizárással? •  Mi tartja össze a hadronokat? _ •  Miért csak (qq) és (qqq) hadronok vannak? •  Miért nincs szabad kvark? A HADRONOK RENDSZEREZÉSE

Mezonok: kvark – anokvark pár Barionok: három-‐kvark állapot

Spin-‐0 mezon oktec

q: elektromos töltés s: strange-‐ kvark szám

Spin-‐1/2 baryon oktec HTP2015

Spin-‐3/2 baryon dekuplec Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

25

A KVARKOK SZÍNE Problémák a kvark modellel •  Δ++ = (u⇡ u⇡ u⇡) 3 azonos fermion, mi van a Pauli-‐kizárással? •  Mi tartja össze a hadronokat? _ és (qqq) hadronok vannak? •  Miért csak (qq) Miért nincs szabad kvark? Új kvantumszám, a “szín” bevezetése: Red, Green, Blue ➱ szín-‐töltés (à kvantum szín dinamika, QCD [quantum color dynamics) •  Δ++ kvarkjai különböző (színű) kvantumállapotban vannak •  A kvarkok közöc erős szín-‐szín vonzás van (a szín az erős kcsh töltése) •  Csak színtelen állapotok szabadok (kvarkbezárás) Analógia a színlátással: 3 erős kcsh-‐beli állapot ~ 3 alapszín (ano-‐szín ~ kiegészítő szín, színtelen állapot ~ fehér) HTP2015


26

HADRONOK: BARIONOK ÉS MEZONOK Hadron tömeg = Kvarkok tömege (1%) + (mozgási és helyzeo energia) Spin J = (Σq ±½) + pályamomentum

J = 1/2, 3/2, … (fermionok) Q = 0, ±1, ±2 Nukleonok, J=1/2: p (uud), n (udd) HTP2015

J = 0, 1, … (bozonok) Q = 0, ±1 _ _ _ _ -‐ Pionok, J=0: π (ud), π-‐ (ud), π0 (uu-‐dd)/√2


27

PENTAKVARKOK? Hagyományosan •  Mezonok •  Barionok Exookus állapotok (QCD ? •  Tetra-‐kvarkok? (Zc(3900), 2013, BESIII China, BELLE Japan) •  Pentakvarkok? (Pc(4450)+ és Pc(4380)+, 2015 July, LHCb CERN) •  Hadron-‐molekulák vagy valódi több-‐kvark kötöc állapotok?

HTP2015

Λb → J/ψ p K


28

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Kvarkok"

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down" Leptonok"

t" top"

(felső)"

H"

Kölcsönhatások


g"

(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

gluon"

e"

μ"

!"

""

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"


November"12,"2012"


foton"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

HTP2015

HiggsI" bozon"


Bozonok"


29

KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK: MÉRTÉK BOZONOK Részecskék közöc ható erőket elemi részecskék, ú.n. mérték bozonok közveŠok


30

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Erős kölcsönhatás csak a kvarkokra hat, bezárja őket a hadronokba (színtöltés)

Kvarkok"

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down" Leptonok"

H"

t" top"

HiggsI" bozon"

(felső)"


g"

(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

gluon"

e"

μ"

!"

""

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"


foton"

November"12,"2012"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

HTP2015



Bozonok"


31

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Elektromágneses Kölcsönhatás az elektromosan töltöc részecskékre hat

Kvarkok"

u" up""

c" charm"

2/3

(fel)"

(bájos)"

d" down"

-‐1/3

(le)"

Leptonok"

-‐1

e"

t" top"


(furcsa)"

(alsó)"

μ"

!"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"


0

g" ✘ gluon"

0

November"12,"2012"

""


foton"

⃝ W" Z"

±1

0

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

HTP2015

H"

HiggsI" bozon"

(felső)"

elektron" 0

0


Bozonok"


32

A"STANDARD"MODELL"

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Gyenge kölcsönhatás Kvarkok" Leptonok" A neutrínók csupán ezt érzik, így nagyon nehéz őket detektálni.

u" up""

c" charm"

(fel)"

(bájos)"

d" down"

H"

t" top"

HiggsI" bozon"

(felső)"


(le)"

(furcsa)"

(alsó)"

e"

μ"

!"

elektron"

müon"

tau"

νe"

νμ"

ν!"


g" ✘ gluon" "" ✘ foton"

November"12,"2012"

W"

Z"

WIbozon" ZIbozon"

Fermionok"

HTP2015



Bozonok"


33

ELEMI KÖLCSÖNHATÁSOK, ERŐK

g Gyenge W,Z Gravitációs (Graviton?) Elektromágneses 𝛾 Erős Példák

Elektromosan töltött részecskék

Kvarkok

Minden részecske

Minden részecske

Atomok, molekulák

Nukleonok (és más hadronok)

Neutron bomlás n→ p+ e– νe

Eső tárgyak

Optikai és elektromos berendezések

Radioaktív β-bomlások

Telekommunikáció

Magfúzió a csillagokban

Potenciál

~ 1/r

-a/r + b r

Hatótávolság

∞ (F~1/r2)

Rövid Rövid (1 fm ~ 1/mπ) (<1 fm)

Élettartam

10-20 – 10-16 s π0➝γγ

10-23 s Δ➝pπ

Égitestek, galaxisok, fekete lyukak

Energiatermelés a csillagokban ~ e-mV r / r

~ 1/r ∞ (F~1/r2)

>10-12 s π+➝µ+ νµ

1 fm = 10-‐15 m Rproton = 0.8 fm HTP2015


34

KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK: MÉRTÉK BOZONOK

“Hierarchia probléma”: gravitációs erőnek a többi erőhöz viszonyított gyengesége HTP2015


35

FEYNMAN DIAGRAMMOK Képi megjelenítése a fizikai folyamatot leíró matemaokai kifejezéseknek •  Minden részecskét más vonalŠpus jelöl •  Szabad véggel rendelkező vonalak valódi, megfigyelhető részecskéket, egyik vertexből (részecskevonalak találkozási pontjából) a másikba futók virtuális részecskéket jelölnek •  Fermionoknál a részecskéket és ano-‐részecskéket a nyíl iránya különbözteo meg •  Minden vertexhez tartozik egy csatolási állandó •  Minden vertexben energia/impulzus-‐, impulzusmomentum-‐, valamint töltésmegmaradás áll fenn •  A Standard Modell alapegyenlete, ún. Lagrange függvénye (1. előadás, 6. fólia) írja le, milyen vertexek léteznek, milyen kölcsönhatások játszódhatnak le •  A részecske kvantumszámai (pl. töltései) Pe-‐ Pq-‐ határozzák meg, mely kölcsönhatásban vesz ~gs részt ~g Pe+ HTP2015


~g

Pg Pq

36

FEYNMAN DIAGRAMMOK •  •  • 

A szórási folyamatok hatáskeresztmetszetének (kölcsönhatási valószínűségének) kiszámításához az összes lehetséges közbülső állapotra összegezni kell Minden közbülső állapot ábrázolható egy Feynman gráffal, melyeket könnyebb ácekinteni mint a mögöcük lévő bonyolult számításokat Csak perturbaŠv (= sorba fejthető) folyamatokat ábrázolhatunk így, ahol a csatolási állandó kicsi (<<1), pl. az erős kölcsönhatás kötöc állapotai nem írhatók így le

HTP2015


37

VIRTUÁLIS RÉSZECSKÉK Csupán nagyon rövid ideig léteznek Nem köveok a E2=p2c2+m02c4 összefüggést … de a megmaradási törvényeket betartják! Energiájuk bizonytalan a Heisenberg-‐féle határozatlansági törvény szerint: ΔE•Δt > h/4π

•  m=0 részecskék (pl. foton) virtuális formájának van tömege (a vákumtól kölcsönvec energiából) mp = 0.938 GeV •  Közeli kapcsolatban állnak a kvantum mn = 0.940 GeV fluktuáció fogalmával: tekinthetjük születésüket a kvantummechanikai mennyiségek várható érték körüli fluktuációjának következményeként •  •  •  • 

HTP2015

erősen virtuális W boson! mW ~ 80 GeV Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

38

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE I. •  Hogyan függ az EM kölcsönhatás erőssége a távolságtól? •  Kvantummechanika szerint egy részecske összes lehetséges útját össze kell adni a megfelelő súlyokkal ahhoz, hogy egy fizikai jelenséget pontosan leírjunk •  Minél messzebb van két töltés a köztük haladó foton annál bonyolultabb úton haladhat, annál több virtuális párt tud kelteni ➝ távolsággal az erő csökken

e-‐ e+ γ

HTP2015

γ


39

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE II. •  Miért “gyenge” a gyenge kölcsönhatás? •  A közveŠtő részecskék (W, Z) nehezek, nagyobb energiára van szükség a létrehozásukhoz •  A részecskefizika nyelvén f

f

1 2 Kölcsönhatási potenciál: 1

V* ~ q 2 + M 2

V (r) ~ €

HTP2015

f1'

f2’


e

−Mr

r

40

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE III. •  Miért erős az erős kölcsönhatás? •  A gluon tömege 0 (mint a fotoné) •  A gluon “töltöc” (színes) az erős kölcsönhatás szempontjából •  Nemcsak virtuális fermion párok, hanem gluon párok is születhetnek a vákumban ÚJ!

•  Ezek a virtuális gluonok erősíok a kölcsönhatást! •  A feno potenciál leírja mindkét megfigyelt jelenséget: a kvark-‐bezárást és az aszimptookus szabadságot •  8 fajta gluon: 9 szín – anoszín kombináció: pp, pk, pz, kp, kk, kz, zp, zk, zz, a(r) változása biztosítja de (pp+kk+zz)/√3 színtelen

a(r) V (r) ~ − + br r

az aszimptookus szabadságot

HTP2015


41

KVARK BEZÁRÁS •  Mi történik, ha két részecskét megpróbálunk eltávolítani egymástól?

A gluon önkölcsönhatás összehúzza az erővonalakat

Elektromos tér (szécerjed) Színtér (szétszakad) ➜ kvark bezárás V(r) ~ 1/r HTP2015

V(r) ~ -a/r + b r Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

42

HADRONZÁPOROK •  •  •  •  • 

HTP2015

Az ütközésben keletkező kvarkok távolodnak egymástól… … amíg energiájuk futja, kvark párokat keltenek… kialakul egy részecske-‐ vagy hadron-‐zápor (“jet”) A közeli kvark párok, kvark hármasok hadronokat hoznak létre (mezonok, barionok) Fragmentáció, hadronizáció


Gluon felfedezése (DESY PETRA) 43

EXTRA

HTP2015


44

A STANDARD MODELL

Kvarkok

u up

c charm

(fel)

(bájos)

d down Leptonok

Higgs-‐ bozon

(felső)

s b strange bocom

g

(le)

(furcsa)

(alsó)

gluon

e

μ

𝜏

𝛾

elektron

müon

tau

νe

νμ

ν𝜏

elektron-‐ müon-‐ tau-‐ neutrínó neutrínó neutrínó

Fermionok

HTP2015

H

t top

Kölcsön-‐ hatás közveŠtő mérték bozonok

foton

W

Z

W-‐bozon Z-‐bozon

Bozonok


45

A STANDARD MODELL

+ ano-‐részecskék

HTP2015


46

HTP2015


47

RÉSZECSKE DETEKTOROK Töltés meghatározás Impulzus mérés

HTP2015

v2 F = qv × B = m r


⇒ r=

mv qB 48

RÉSZECSKE DETEKTOROK Detektor metszet, részecske nyomokkal

Részecskék nyoma a detektorban


49

A NÉHAI OPAL DETEKTOR •  LEP gyorsító 4 sok-‐ célú detektorának (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL) egyike •  Adatgyűjtés: 1989-‐2000 •  Méret: 12 m x 12m x 12m

HTP2015


50

LEP •  LEP1, √s≈91 GeV: e+e-‐ ➝ Z ➝ ff •  LEP2, √s≈200 GeV: e+e-‐ ➝ WW, ZZ, ff(γ),… •  Pontszerű leptonok ütközése •  Tiszta események •  Tipikus LEP2 esemény: e+e-‐ ➝ WW ➝ qqqq •  4 hadron zápor •  <100 töltöc részecske

HTP2015


51

???


52

Z➝μ+μ-‐ AT LEP OPAL


53

???


54

Z➝μ+μ-‐ γ AT LEP OPAL


55

???


56

Z➝e+e-‐ AT LEP OPAL


57

???


58

Z➝e+e-‐ γ AT LEP OPAL


59

???


60

Z ➝ τ+ τ-‐ ➝ μ+ e-‐ + Ehiányzó AT LEP OPAL


61

???


62

Z ➝ τ+ τ-‐ ➝ h+ (h-‐h+h-‐) + Ehiányzó AT LEP OPAL

Tau élecartam (0.3 ps) mérhető ilyen eltolt vertexű eseményekkel HTP2015 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába

63

???


64

Z ➝ ννγ AT LEP OPAL


65

???


66

Z ➝ qq AT LEP OPAL


67

???


68

Z ➝ qqg AT LEP OPAL


69

???

K0


70

Z ➝ bb AT LEP OPAL

-‐ b b

K0


71

???

φ ➝K+ K-‐ J/ψ➝μ+μ-‐


72

Z ➝ bb AT LEP OPAL

-‐ b b

φ ➝K+ K-‐ J/ψ➝μ+μ-‐

Bs➝J/ψ φ


73

Z BOZON BOMLÁS

elektron pár

muon pár

kvark (hadron zápor) pár

kvark pár és gluon (3 hadron zápor)

HTP2015


tau pár → muon, elektron

tau pár → hadron, muon 74

Z BOZON BOMLÁS A LEP GYORSÍTÓN

elektron pár

muon pár

tau pár → elektron, muon

kvark (hadron zápor) pár

kvark pár és gluon (3 hadron zápor)

tau pár → 1 és 3 hadron

HTP2015


75

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Recommend Documents