1. Elementarne składniki materii Henryk Pałka, IFJ PAN

2. Fizycy cząstek chcą wiedziec: Czym są elementarne składniki materii? Jakie siły rządzą oddziaływaniami cząstek? Czy istnieje jednolita teoria (ToE) obejmująca wszystkie oddziaływania? Fizyk redukcjonista

3. 17 ? Thomson(elektron) Rutherford(atom) Dalton (pierwiastki) Arystoteles Skończona liczba cząstek elementarnych? Cząstki = (elementarne) składniki materii Historia składników materii Skala logarytmiczna

4. Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii • Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby : Eksp. rozproszeniowy • obserwować głeboko ukryte struktury • (małe rozmiary): • λ = h/p (de Broglie), • Dx Dp ≤ ħ (Heisenberg) •  mikroskop o b. krótkiej fali Eksp. formacji (anihilacja cz.-anty-cz.) • wytworzyć (z energii) nowe cząstki: • E = mc2 (Einstein) • Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk)

5. Energia:1 elektronowolt = 1eV1 Kilo-elektronowolt = 1 KeV = 1000 eV1 Mega-elektronowolt = 1 MeV = 1000000 eV1 Giga-elektronowolt = 1 GeV = 1000000000 eV • 1 Tera-elektronowolt = 1 TeV = 1 000 000000000 eV Rozmiary i energie w mikro-świecie • 1 fm = 1 femtometr („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1000000000 fm) Energia 1 GeV, duża w mikro-świecie, jest śmiesznie mała makroskopowo: np. rozświetli latarkę (1.6 W) tylko przez: 0,0000000001 sekundy

6. Źrodło światła Obiekt >0,15µm Mikroskop: przyśpieszacz (akcelerator) cząstek widzieć = zarejestrować obraz rozproszenia Pocisk  tarcza  detektor Rozdzielczość: [ λ = h/p, Dx Dp ≤ ħ ] ‘precyzja’ << rozmiar struktury rozmiar pocisku << struktury precyzja = 200 fm / 1 MeV energii pocisku : 0,2 fm przy E = 1 GeV = 1000 MeV0,2 µm przy E = 1 eV

7. 1 fm Proton i neutron mają strukturę wewnętrzną !!! Odkrycie (SLAC ~1970): rozpraszając e- na protonach i neutronach • << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV Podejrzenie że p i n nie są elementarne trochę wcześniej (model kwarków, ~1960 )

8. Zasada działania: Jak działa akcelerator ? • Lampa kineskopowa: • Akcelerator liniowy: Fermilab ILC (planowany)

9. Kompleks akceleratorów w CERN

10. nie fundamentalne (podzielne) fundamentalne (niepodzielne) Kryształ Atom Jądro atomu Molekuła Proton Kwark Cegiełki materii Fundamentalne* cegiełki tworzące materię: (*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0.001 fm) - elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach - neutrino ν a co to takiego?

11. Neutrino: ‘cząstka-duch’ Rozpad b: n  p + e- (1914 Chadwick) Prawo zachowania energii i pędu - przy spoczywającym neutronie : E(e-) = const  sprzeczne z obserwacją: Pauli (1930): w rozpadzie musi uczestniczyć niewidzialna cząstka (ν), partner e- • ν : bardzo lekka (m=0 ???) • 999 999 999 ν/1 000 000 000 przebija kulę ziemską bez oddziaływań • dużo neutrin we Wszechświecie: ~400 000 000/m3 • (n.b. protonów jest tylko 0.2/m3 )

12. n n n n n n n n n p p p p p p p p p p p q q Oddziaływania cząstek Siły wzajemnego oddziaływania cząstek na siebie, wywołujace produkcję cząstek i ich rozpady Obecnie znamy 4 oddz. fundamentalne: Grawitacyjne (masy) Słabe (rozpad β) Silne (jądrowe) Elektromagnet. (ładunki elektr.) Skąd się te siły biorą ?

13. elektron 2 elektron 1 czas t2 Foton (wirtualny) t1 przestrzeń Siły wymiany • ‘Partnerzy’ oddziaływania • muszą mieć ‘ładunek’ electron 1 • siła oddziaływania jest • skutkiem wymiany • ‘cząstki pośredniczącej’ To jest tzw. diagram Feynmana

14. Elektromagnet. Silne Słabe 3 kolory: r,b,g +3 anty-kolory I1 , I2, I3 ‘Ładunek’ +1,-1 cz. pośredn. jej ładunek, masa γ 0 0 8 gluonów ( g ) kolor,anty-kol. 0 W+, Z0, W- +1, 0, -1 70-90 GeV Q(u)= r,b,g Q(d)= r,b,g Q(ν) i Q(e-) nie istnieją Q(u)= 2/3 Q(d)=-1/3 Q(ν)=0 Q(e-)=-1 I3(u)= +1/2 I3(d)= -1/2 I3(ν)= +1/2 I3(e-)=-1/2 ładunki cz. element. ∞ ~1 fm ~0.0025 fm zasięg sił świecenie Słońca, radioaktywnośc widoczne makroskopowo niewidoczne w skali makro skutki

15. Pełny zestaw znanych obecnie cząstek elementarnych

16. Model Standardowy Grawitacja - duch w operze u c g t gluon góra powab prawda g s Kwarki d b dół piękno dziwny foton n ne n Nośniki sił W t m m-neutrino t-neutrino e-neutrino e t W boson m Leptony Z mion tau elektron Z boson I II III Rodziny cząstek materii Cząstki materii i pól sił Bozon Higgsa?

17. Nurtujące pytania: Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass? Mass t u d c e s b Mt=175 GeV ! – cięższy niż atom srebra!! Mamy nadzieję że LHC dostarczy odpowiedzi na te 2 pytania

18. Nasze marzenie: jednolita teoria (unifikacja) Obecna granica obserwowalności

19. Supersymmetric Partner ~ ~ ~ ~ ~ g g u c t H u c t H ~ ~ ~ ~ ~ g g d s b H d s b H ~ ne nm nt W W ~ Z e m t Z ~ ~ nt ~ t nm ~ Spin 0 Spin 1/2 Spin 1 ~ m Spin 0 Spin 1/2 ~ Spin 1/2 ne e Supersymetria? CMS

20. Związek fizyki cząstek z kosmologią Wczesny Wszechświat: temperatura 1015K  energia czastek ~100 GeV Akcelerator: energia cząstek ~100 GeV Niekontrolowane zderzenia cząstek kontrolowane zderzenia cząstek