Elementarne čestice

1. Elementarne čestice

2. Potraga za osnovnim sastavnicama kosmosa seže daleko u prošlost • Atomska Demokritova hipoteza • Koliko ima “osnovnih” cigli? • - zrak • vatra • zemlja • voda Kažu stari Grci.

3. Rutherford: atomi nisu elementarne čestice! 1911. Rutherford je našao nukleus u atomu tako što je alfa čestice usmjeravao na tanke folije od zlata otkrivši da se neke od njih odbijaju i vraćaju nazad.

4. Atomi Svi atomi su građeni od protona, neutrona u jezgru i elektrona koji kruže oko jezgra proton Elektron je prva elementarna čestica Koja je otkrivena (JJ Thomson 1897) Protoni ineutronisu sastavljeni od kvarkova elektron neutron

5. Periodni sistem elemenata U Periodnom sistemu elemenata ima 114 elementa sa različitim osobinama: masa, kristalna struktura, tačka topljenja …

6. Atomi su složeni objekti • Protoni(+ električni naboj),p • Elektroni(– električni naboj), e • Neutroni(nez naboja),n • Protoni Neutronimaju približne mase • Elektron je oko 2000 puta manje mase od protona • Električne sile stvaraju privlačenje između elektrona i protona u nukleusu

7. Hemijski elementi su definisani brojem protona u atomskom jezgru • Vodonik, 1 proton i 1 elektron proton 10-10 m Oblak elektronske vjerovatnosti

8. Ugljik ima 6 protona Oblak od 6 elektrona Nukleus: 6 protona 6 ili 7 neutrona Primjedba: Skala veličina Je pogrešna, nukleus je preuveličan

9. Unutrašnjost atoma: neutroni, protoni, elektroni Ugljik (C ) Atomski broj Z=6 (brojprotona) Maseni broj A=12 (brojprotona + neutrona) # elektrona = # protona(atom je elektro-neutralan) Zlato (Au) Atomski broj Z = 79 Maseni broj A = 197 #elektrona = # protona

10. Subatomske čestice Today Nicolo Cartiglia -INFN Torino 10

11. Od atoma do kvarkova Koliko su mali najmanji sastavni dijelovi materije? <10-18 m <10-1 8 m ~ 10-14 m ~ 10-10 m ~ 10-15 m Atomi i subatomske čestice su mnogo manji nego talasna dužina vidljive svjetlosti. Zato ih zaista ne možemo “vidjeti”. Svi crteži dolaze iz umjetničke mašte. Da bismo više saznali o subatomskim strukturama, trebaju nam akceleratori čestica.

12. Subatomski svijet

13. Malo istorije Početkom 20. stoljeća počinje gomilanje elementarnih čestica. Da bi se objasnilo izlijetanje elektrona iz električki neutralnog atoma, mora se pretpostaviti postojanje pozitivnog naboja u atomu. Nosioci tog naboja nazvani su protoni. Time je neutralnost atoma postala logična; on je sastavljen od negativnih elektrona i pozitivnih protona. U atomu ih je toliko da se njihov broj uravnotežuje. Međutim, pojavio se nedostatak ovakve šeme. Naime, prebrojavajući elektrone i protone u atomu izlazi da u atomu nedostaje oko polovica mase. Privremeno rješenje je bilo da atom sadrži jednak broj protona i elektrona, s tim što je polovica elektrona smeještena oko jezgre a druga polovica i svi protoni u jezgri.

14. Malo istorije Alii ovo rješenje je osporeno. W. Heisenberg je pomoću relacija neodređenosti, pokazao da nije moguće da elektron boravi u jezgri atoma. On predlaže da jezgra atoma uz pozitivni proton sarži i neutralnu česticu mase podjednake masi protona. Tu česticu nazvali su neutron. Prije 1930. kao elementarne čestice poznate su samo proton, elektron i foton. Elektron je 1897.identifikovao Thomson, a foton je 1905. definirao Einstein. Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja, koji se u vakuumu kreće brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži energiju: E = hf , gdje je h - Plankova konstanta, a f - frekvencija

15. Neutron • I pored rapidnog napretka fizike u prvih par dekada 20-tog stoljeća nije bilo poznato više elementarnih čestica sve do 1932. kada je Chadwick dokazao postojanje neutrona. 1932. James Chadwick je otkrio neutron. Time je riješen problem nedostatka mase u atomu: broj elektrona u atomu jednak je broju protona, a broj neutrona je onoliki koliko ih treba da upotpune masu atoma. Tako je broj neutrona približan broju protona, što je inače zavisno od svakog konkretnog atoma. • A kada je otkriven neutron, činilo se da su dovoljna ova 3 sastavna elementa: elektron, proton i neutron. James Chadwick (1891-1974)

16. Neutrino To je bilo dovoljno, sve do otkrića β raspada. Naime, u β raspadu zbivala se čudna pojava – nestajala je energija. Kad se napravio „obračun“ energije prije raspada i uporedio s onim poslije raspada rezultat je bio da elektroni odlaze s premalo energije. Rješenje je da negdje nestaje energija ili je pronađen događaj koji narušava osnovno pravilo dotadašnje fizike – zakon očuvanja energije. Čvrstu odbranu zakona očuvanja energije je izveo W.Pauli. Pauli iznosi hipotezu da pri β raspadu dio energije sa sobom odnosi čestica koja nastaje u raspadu. Čestica, radi očuvanja neutralnosti atoma, treba biti neutralna pa je imenuju neutrino, mali neutron. Masa neutrina je jako malena , ali on odnosi taj nedostajući dio energije.

17. Uvođenje neutrina Neutrino, igra važnu ulogu kod radioaktivnih raspada n -> p+ + e- + ve - Česticave(elektronski neutrino) je u bliskoj vezi sa elektronom, ali ima sasvim drugačije osobine.

18. Klasifikacija čestica Sve čestice se mogu svrstati na dva načina , prema spinu i prema nekom drugom svojstvu. Čestice se prema spinu dijele na fermione i bozone. Fermioni su one čestice koje imaju polovični spin , a bozoni čestice koje imaju cjelobrojni spin. Dalje, pokazuje se da su fermioni oni od kojih je građena materija, a bozoni oni koji prenose interakciju i tako održavaju vezu među fermionima.   Neka druga podjela svrstava čestice u tri grupe: kvanti polja, leptoni i hadroni. Hadroni obuhvaćaju dvije podgrupe: mezone i barione. U kvantnoj elektrodinamici polje se opisuje pomoću nosilaca međudjelovanja, tzv. kvanata polja.

19. 12 fundamentalnih čestica Nije jasno zašto ove postoje Problem: Priroda koristi ove 4 čestice t u c quark s b d nm ne nt leptons e m t Nicolo Cartiglia -INFN Torino 19

20. Standardni model

21. Fundamentalne čestice

22. Standardni model Okvir koji sadrži: • Materija • 6 kvarkova • 6 leptona • Grupirani u 3 generacije • Sile • Elektroslaba: • g (foton) • Z0, W± • Jaka • g (gluon) Nema gravitacije! Još nema kvantne teorije Gravitacionog polja! H= nedostajuća čestica: Higgs-ov Bozon Ovaj model je veoma dobar za opisivanje svega do sada uočenog u subatomskom svijetu. Ali tu mora biti nečeg mnogo više!

23. Klasifikacija je zasnovana na 4 (3) temeljna međudjelovanja u prirodi:  1.Kvanti elektromagnetnog i slabog nuklearnog polja (tzv.elektroslabo polje) Toj skupini čestica pripadaju foton i intermedijarni bozoni. Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja, koji se u vakuumu kreće brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži energiju: E = hf , gdje je h - Plankova konstanta, a f - frekvencija Intermedijarni bozonisu čestice velike mase (90 GeV/c2) i nosioci su slabe nuklearne sile. Otkrili su ih Carlo Rubbia i Simon van der Meer iz Evropskog nuklearnog centra u Ženevi (Cern), koji su za to otkriće dobili 1984.godine Nobelovu nagradu.

24. 2.Leptoni Leptoni dolaze od grčke riječi “leptos” što znači sitan ili tanak. Leptoni su lagane elementarne čestice koji ne reagiraju na jaku silu pa djeluju slabim nuklearnim silama. Imaju naboj 1 (osim neutrina koji su neutralni). Karakterizira ih zakon očuvanja leptonskog broja - zbir leptona (leptonski broj 1) i antileptona (leptonski broj -1) koji ulaze u reakciju jednak je broju leptona koji iz nje izlaze. Spin im je 1/2 te poštuju Paulijevprincip isključivosti. Leptoni su: elektron, tri vrste neutrina,mion i čestica τ Mion možemo shvatiti kao teški elektron. Masa mu je bliska masi piona i kad je pronađen smatralo se da je to mezon.

25. 3.Hadroni Hadroni dolaze od grčke riječi hadros što znači jak , snažan. Hadroni su teške elementarne čestice. Oni međudjeluju jakom nuklearnom silom koja je najjača u prirodi. Tipični hadroni su nukleoni tj. neutron i proton. Hadroni su prema masi podijeljeni ma: - mezone (mase između e i p) - barione (tj.one koje su teški) Danas ta podjela nije više opravdana! Bolja je podjela koja kaže: Mezoni su oni hadroni čiji je spin 0 ili cjelobrojni višekratnik h/2π. Barioni tj. nukleoni i hiperoni imaju spin jednak neparnom višekratniku (h/2π),tj. ½ (h/2π) , 3/2(h/2π)… Vrijednost spina određuju statistička svojstva čestica: Bozone određuje Bose-Einsteinova statistika, a fermione Fermi-Diracova statistika.

26. U 60-tim godinama prošlog vijeka Glašou (Sheldon Glashow), Vajnberg (Steven Weinberg) i Abdus Salam su predvidjeli da postoje čestice, koje su oni nazvali W (za weak=slab) i Zi da su one odgovorne za slabu interakciju. Te čestice su uočene. Slaba interakcija Abdus Salam (1926-1996) Sheldon Glashow (1932- )

27. Graviton • Sugerisano je da postoje čestice • Nazvane gravitonikoje su • odgovorne za gravitacionu • interakciju. • Graviton je medijator gravitacije u kvantnoj teoriji polja i postuliran je radi uspjeha fotona u kvantnoj teoriji elektrodinamike. • Graviton mora biti bez mase , mora putovati brzinom svjetlosti, imati spin 2, i mora intereagovati sa svim česticama koje imaju masu-energiju. • Graviton nikada nije bio uočen zbog njegove izuzetno slabe interakcije sa objektima.

28. 4 sile u prirodi • Slaba • Bete raspad • Elektromagnetna • TV, PCs • Magneti • e- e+ stvaranje Slab naboj Električni naboj • Jaka • Vezanje kvarkova Gravitacija Odgovorna za našu stabilnost na zemlji Jak naboj masa

29. Fundamentalneinterakcije Jedan od važnih ciljeva fizike čestica jeste da unificira ove sile (da pokaže da su sve one samo različiti aspekti iste sile), kao što je to Maksvel (Maxwell) uradio za električnu i magnetnu silu prije mnogo godina.

30. Subatomske čestice interaguju razmjenom “bozon” čestica cjelobrojnog spina.Promjenjljive interakcije odgovaraju da razmijene bozone različitih karakteristika. Razmjena čestica je odgovorna za silu.

31. Slaba sila - Beta raspad n p Antineutrino Electron

32. Fundamentalneinterakcije Konačni domet efektivno konfinira čestice koje, zbog principa neodređenosti, imaju minimalni impuls i stoga minimalnu kinetičku energiju i masu.Fotoni i gravitoni su bez mase, a W and Z bozoni su teški.

33. Elektromagnetna sila Odbojna sila koju “osjećaju” dva elektrona koji se približavaju. e- e- Foton je čestica koja se pridružuje elektromagnetnoj sili. Photon

34. Čestice sile Čestice međudjeluju i/ili se raspadaju zbog sila. Sile su takođe odgovorne za vezivanje čestica.

35. Klasifikacija elementarnih čestica • Čestice koje imaju polovičan spin zovu se fermionia one sa cjelobrojnim spinom se zovu bozoni. • Ovo je koristan način klasifikacije elementarnih čestica jer izgleda da je sva stabilna materija u svemiru građena od fermiona. • Fermioni slijede Paulijev princip isključivosti, a bozoni ne. • Fotoni, gluoni, W±i Z se zovugauge bozoni i odgovorni su za jake i slabe interakcije. • Gravitoni su takođe bozoni – imaju spin 2. • Fermioni djeluju privlačnom ili odbojnom silom jedan na drugog tako što izmjenjuju gauge bozone koji su nosioci sile.

36. . Higgs’ovbozon Predviđen je još jedan bozon, ali nije bio detektovan. Neophodan je u kvantnoj teoriji poljada bi objasnio zašto W±i Z imaju tako veliku masu, a fotoni nemaju mase. • Ovaj nedostajući bozon se zoveHiggs’ovačestica(iliHiggs’ov bozon)po Peteru Higgsu, koji ga je prvi predložio. • Standardni model predviđa da postoji polje koje se zove Higgs’ovo poljekoje prožima cijeli prostor. • Intereagujući sa ovim poljem čestice dobijaju masu. Čestice koje jako interaguju sa Higsovim poljem imaju tešku masu; čestice koje reaguju slabo imaju malu masu. Simulirani događaj koji prikazuje pojavu Higssovog bozona

37. Šta želimo da nađemo u LHC? Mr Higgs Među mnoštvom novih čestica za koje se nadamo da ćemo pronaći, jedna je posebno važna: HIGGS-ovačestica Higgs-ov bozon je vrlo teška čestica i teško ju je stvoriti. Pokušavaju da je nađu već 20 godina i misli se da su na pragu tog otkrića. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 37

38. Osobine bozona Higgs-ov bozon je veoma težak, a još nije uočen. Potraga za Higgsovim bozonomje najveći prioritet fizike elementarnih čestica.

39. Unifikacija osnovnih sila Electricity 1864 Magnetism Electromagnetism 1971 Light Electroweak Interaction Beta-decay 1976 Weak Interaction Neutrinos Standard Model 1965 Protons 1973 Neutrons Strong Interaction ? Pions, etc. 1687 1916 Earth Gravity Universal Gravity General Relativity Celestial Mech. Spacetime Geom.

40. Nakon standardnog modela:Unifikacija sila (interakcija) ELECTRO- MAGNETIC UNIFIED FORCE? GRAVITY STRONG WEAK Potraga za jednostavnom elegantnom unificiranom teorijom.

41. Leptoni: elektroni, mioni, tau-česticei neutrini • Leptoni su vjerovatno najjednostavnije elementarne čestice. • Pojavljuju se kao tačkaste strukture, tj. kao da nemaju nikakvu unutrašnju strukturu i izgledaju zaista elementarno. Do sada nema plauzibilne indikacije da su oni sastavljeni od nekih više fundamentalnih čestica. Svakom leptonu je pridružen jedan neutrino nazvan prema svom naelektrisanom partneru (npr., mion neutrino). Postoji samo šest leptona plus šest njihovih antičestica.

42. e m ne nm Mion i tau raspad • Mion se transformira u elektron, a tau čestica može da se transformira u elektron, mion ili čak hadrone. • Raspad miona (kroz slabu interakciju) je:

43. Neutrino nema naelektrisanja. Elektronski neutrino nastaje u beta-raspadu neutrona. Njihove mase su vrlo male. Tačna masa neutrina može uticati na postojeće teorije vasione zbog gravitacionog privlačenja masa. Kao i svi drugi leptoni i neutrini imaju spin ½. Svatri neutrina su eksperimentalno potvrđeni. Neutrine je posebno teško detektovati jer nemaju naboja , a imaju veoma malu masu i interaguju veoma slabo (vrlo lako prođu kroz zemlju!). Neutrino . Slika sunca snimljena ne pomoću svjetlosti već pomoću neutrina, napravljena na japanskoj neutrinskoj opservatoriji Super-Kamiokande

44. Neutrino • Jedan od najintrigantnijih problema u posljednje tri decenije bio je problem solarnih neutrina: broj neutrina koji stižu na Zemlju sa sunca je za faktor 2 ili 3 manji u odnosu na naše razumijevanje proizvođenja energije (nuklearna fuzija). • Neutrini dolaze u tri varijante ili ukusa: electronski, mionski i tau-neutrino.Naučnici su uočili da neutrini nastaju u Zemljinoj atmosferi pod uticajem kosmičkih zraka i pri tome se mijenjaju tj. “osciluju” u drugi ukus (sunce emituje samo elektronske neutrine). • Osim toga, ovo se može dogoditi samo ako neutrini imaju masu.

45. Hadroni • Hadroni su čestice koje djeluju kroz jaku silu. • Postoje dvije klase hadrona: mezoniibarioni. • Mesonisu čestice sa cjelobrojnim spinom sa masom koja je veća od mionove mase (106 MeV/c2). (Mezoni su napravljeni od parova kvarkova – kvark i antikvark). Oni su nestabilni i rijetki. • Barioni imaju mase bar kao protoni i imaju spin od pola cijelog broja. U barione spadaju proton i neutron od kojih se sastoji atomsko jezgro, ali postoje i mnogi drugi nestabilni barioni. Termin “barion” je izvedenod grčkog βαρύς (baris), što znači “težak“ jer u vrijeme kad su ih imenovali vejerovalo se da barioniimaju veću masu nego druge čestice. (Čine ih tri kvarka). Svi se barioni raspadaju na protone.

46. Kako nastaju nove čestice? Korištenjemakceleratora.Čestice se ubrzavaju do brzine svjetlosti i onda ih sudarate jedne sa drugima. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 46

47. Proizvođenje elementarnih čestica Da bi se proizveo Higsov bozon tj. omogućili sudari čestica koji su dovoljno snažni potrebni su akceleratori čestica izuzetne snage, bio je potreban veliki hadronski kolajder(the Large Hadron Collider) (LHC).

48. Akceleratori magnets Protoni se ubrzavaju i sudaraju u LHC. Dva snopa putuju u suprotnim smjerovima. Električna polja daju ubrzanje jer se jer se isti odbijaju, a različiti privlače. Magnetna polja upravljaju snopovima protona obzirom da se nabijene čestice u magnetnom polju kreću po kružnoj stazi.

49. Detekcija Na četiri mjesta duž LHC prstena protoni iz dva suprotno-ubrzavajuća snopa se sudaraju. Koliziona energija kondenzira se u česticama (e-, p, p…) Detektori koji okružuju tačke sudara osjetljivi na prolazak energetskih čestica. ATLAS

50. LHC @ CERN: Čestice se ubrzavaju duž cirkularne staze duge 27 kilometara koja se nalazi 100 m ispod zemlje Snopovi protona koji cirkuliraju čeono se sudaraju 40 miliona puta svake sekunde. Nicolo Cartiglia -INFN Torino 50