Elementární částice - minulost, současnost a budoucnost
Doc. RNDr. Luděk Jančář, CSc.
Katedra chemie, Pedagogická fakulta MU, Poříčí 7, 603 00 Brno, e-mail: jancar@ped.muni.cz
Uvod
1. Elementární částice hmoty
2. Historie objevování částic a záření: elektron,
proton, antihmota, neutrino, neutron, kvark, pozitron, mezon, hyperon, rezonance, záření
3. Rozdělení částic: kvanta polí, leptony, kvarky,
fermiony, bosony, mezony, baryony, rezonance, antičástice
4. Standardní model - rodiny elementárních částic
5. Jádro atomu, elektronový obal
6. Gravitace, elektřina, magnetismus, slabé
interakce, silné interakce
7. Einsteinův životní sen - teorie všeho
8. Centra výzkumu, moderní metody zkoumání,
budoucnost v objevování částic
9. Teorie strun (superstrun) Literatura
Uvod
Fyzika 20. století urazila na cestě za rozšířením našeho poznání světa notný kus cesty. Jeden míří ven, k nejzazším hranicím pozorovatelného vesmíru a druhý směřuje do nitra hmoty, k samým základům mikrokosmu, podivuhodného světa atomů a subatomárních částic.
Lidské oko rozliší 0,07 mm z konvenční vzdálenosti 25 cm (zorný úhel 1 min).
K pozorování menších objektů je zapotřebí zvětšovací sklo nebo mikroskop. První mikroskop, jež dosahoval 200násobného zvětšení, sestrojil Holanďan Anton van Leeuwenhoek, obchodník s látkami, který neměl žádné vědecké vzdělání, ale jeho koníčkem bylo brousit čočky. V roce 1683 s ním pozoroval kapku vody a objevil první mikroorganismy. Z jeho nákresů později vědci usoudili, že byl patrně prvním člověkem, který viděl bakterie. Bakterie, které mají typickou velikost okolo 1 mikrometru (10-6 m).
V roce 1931 byl vyvinut první elektronový mikroskop a našemu poznání se otevřel svět virů (10 7 m). Dnešní elektronové mikroskopy "vidí" dokonce strukturu molekul (10-10 m) a umožňují rozeznat povrch jednotlivých atomů. Typický rozměr atomu je právě 10-10 m. Je ovšem velmi paradoxní, že něco tak nepatrného jako atom má uvnitř rozsáhlý prázdný prostor. Hluboko v nitru atomu je ukryto maličké, ale velmi husté jádro (10-14 m), jež obklopuje desettisíckrát větší oblak elektronů, na který však připadá pouhá dvacetina procenta celkové hmotnosti. Zde začíná mikrokosmos (řecky "malý svět") v pravém slova smyslu. Chtějí-li vědci do něj nahlédnout, neobejdou se bez ještě silnějšího "mikroskopu" - musí dosáhnout ještě kratších vlnových délek a používají k tomu zařízení nazývaná urychlovače částic.
2
Ol.jpg Mikrosvet
Základní otázky:
Co je světlo?
Co je atom?
Co tvoří jádro atomu?
Jak drží jádro pohromadě?
Co tvoří elektronový obal?
Co je antihmota?
Co je radioaktivní záření?
Jaké jsou další typy záření?
Co je standardní model?
Co je podstatou teorie superstrun?
1. Elementární částice hmoty
02.jpg Dělení látek
Dělení částic
1) Povaha hmoty
Částice Antičástice
2) Elektrický náboj
Bez náboje Nabité částice
/ \
Kladný Záporný
Celistvý (jednotkový) Dílčí
3
3) Spin
Bosony (0, 1, 2) Fermiony (1/2, 3/2)
Nulový (neotáčejí se) Celistvý (otáčejí se rychle)
Poloviční (středně rychle)
4) Složení
03.jpg Dělení částic
04.jpg Přehled částic (1950) Castice.htm, PrehledCastic.doc
2. Historie objevování částic a záření: elektron, proton, antihmota, neutrino, neutron, kvark, pozitron, mezon, hyperon, rezonance, záření
KurzECH.doc Starověké Řecko
05.jpg Živly
Počátky moderní vědy
KurzECH.doc
Světlo - částice nebo vlnění
06.jpg Isaac Newton (1666), rozklad světla - spektrum
07.jpg Thomas Young (1803), průchod světla 2 štěrbinami
08.jpg Albert Einstein (1905), fotoelektrický jev
4
Elektromagnetické záření - spektrum
09.jpg Elektromagnetické záření
10.jpg Elektromagnetické spektrum - vlny
Rentgenovo záření
11.jpg První rentgenový snímek (1896), ruka jeho ženy
Objev elektronu (30. dubna 1897)
12.jpg J. J. Thomson (1897), katodové záření
- působením elektrického pole nabývá různých tvarů
Radioaktivita
KurzECH.doc
13.jpg Záření a, p (E. Rutherford - 1898), y (Paul Villard
- 1900)
Rozbití atomu p + Li —> He + a (1932), štěpení jádra, řetězové reakce
14.jpg Štěpení jádra
15.jpg Řetězová reakce (1938)
Kosmické záření - Theodor Wulf (1910), Victor Hess
(1911)
KurzECH.doc
5
Antihmota, objev pozitronu - Carl Anderson (1932), objev antiprotonu (1955), antineutronu (1956)
16.jpg Vznik páru antičástic ze spršky paprsků gama (žluté), elektrony (zelené), pozitrony (červené)
Neutrino - Wolfgang Pauli (1931), detekce neutrin projekt Poltergeist (1953) - Los Alamos (Frederick Reines, NC
1995)
KurzECH.doc
Mion - Carl Anderson a Seth Neddermeyer (1936) - v kosmickém záření
KurzECH.doc Podivné částice
17.jpg Rozpad podivných částic, modré dráhy patří částicím, které se této reakce nezúčastnily
18.jpg Rozpad podivných částic, záporný pion přilétá zdola a interaguje s protonem z náplně bublinové komory. Vznikají 2 podivné částice - lambda a neutrální kaon. Obě částice nezanechávají stopu, ale o jejich přítomnosti jasně svědčí produkty jejich rozpadu. Lambda přechází v proton a záporný pion, kaon v kladný pion a záporný pion
Mionové neutrino - Jack Steinberger, Leon Lederman a Melwin Schwarz (1961 - 1962), Brookhaven
KurzECH.doc
Kvarky
KurzECH.doc
6
19.jpg Kvark up, down a strange (podivný)
20.jpg Omega minus (předpověděl Murray Gell-Mann -1962), Nick Samoa (1964) z Brookhavenu, do nové bublinové komory vlétávaly kaony a po prozkoumání 50 000 snímků byl nalezen téměř učebnicový příklad rozpadu omega minus, počínající v levém dolním rohu
21.jpg Baryony a mezony
Půvabný kvark c - objeven v částici J/psí (nezávisle Samuel Ting, Brookhaven (New York) a Burton Richter, Stanford (San Francisco), 1974)
KurzECH.doc
Částice t - Martin Pearl (Stanford, 1983), NC 1995
Kvark b - objeven v částici upsilon (Leon Lederman, Fermilab, Chicago 1977)
KurzECH.doc
Částice W a Z - Carlo Rubia a Simon van der Meer (1983), CERN
22.jpg Rozpad částice W, vzniká elektron (červeně) a v přesně opačné směru chybí energie, detektor UA1, CERN
23.jpg Částice z vakua, srážka e- s e+, anihilace, záblesk energie, ve vakuu skoro-částice, vypůjčí si energii a stanou se skutečnými částicemi, např. Z
24.jpg Rekonstrukce rozpadu Z v detektoru ALEPH na LEP, CERN, zobrazuje různé částice vyletující z bodu srážky ve středu detektoru, kde se částice Z vytvořila. Klínovité plochy na obvodu charakterizují množství energie, kterou částice odnesly.
7
Kvark t - objev (Fermilab, Chicago 1995), 900 vědců
KurzECH.doc
t neutrino - 1999, P. Yager a V. Paolone, Fermilab Supersymetrické částice
25.jpg Symetričtí superpartneři základních částic
3. Rozdělení částic: kvanta polí, leptony, kvarky, fermiony, bosony, mezony, baryony, rezonance, antičástice
Částice - stav v roce 1990 (106)
Kalibrační bosony (3) Leptony (6) Kvarky (6)
Mezony - nepodivné (42) Mezony - podivné (7) Mezony - půvabné, nepodivné (2) Mezon - půvabný, podivný (1) Mezony - bottom, nepodivné (2)
Baryony - nepodivné (8) Hyperony:
Rezonance - delta, nepodivné (6) Rezonance - lambda, podivnost-1 (7) Rezonance - sigma, podivnost-1 (9) Rezonance - cascade, podivnost-2 (5)
Baryon - omega, podivnost-3 (1)
Baryon - půvabný, nepodivný (1)
8
Kombinace částic z kvarků:
Osm Deset
uuu uud uus udd uds uss
ddd dds
sds sss
26.jpg Mezonový oktet, baryonový oktet a dekuplet Šestnáct (šestnáctistěn)
4. Standardní model - rodiny elementárních částic
27.jpg Rodiny částic
28.jpg Zprostředkující částice
5. Jádro atomu, elektronový obal Jádro atomu
29.jpg Modely atomu J. J. Thomson (1899), Hatari Nagaoka (1904), Kelvin (1905)
30.jpg Ernest Rutherford (1911) - bombardoval a částicemi atomy zlata, některé se odrazily zpět, více než 99 % prošlo
Bohrův model atomu (1913)
9
Elektronový obal
KurzECH.doc
Jak drží jádro pohromadě?
31.jpg Výměna elektricky nabitého mezonu
6. Gravitace, elektřina, magnetismus, slabé
interakce, silné interakce
Elektroslabá interakce
32.jpg Higgsovo pole - narušená symetrie prostoru
33.jpg Beta rozpad
Silné interakce
34.jpg Gluony
35.jpg Tři jety v detektoru ALEPH, LEP, CERN, dva jety vznikly ze systému kvark-antikvark, který se vytvořil ze záblesku energie po anihilaci elektronu s pozitronem při srážce, třetí jet je gluonový a vznikl z utrženého kousku napjaté gluonové struny, která původně spojovala kvark s antikvarkem, je to ten, co směřuje nalevo dolů
7. Einsteinův životní sen - teorie všeho
1920 Einstein, 50. léta Heisenberg - neúspěch
36.jpg Teorie všeho - sjednocení všech interakcí
37.jpg TOE - cesta sjednocování sil
10
8. Centra výzkumu, moderní metody zkoumání, budoucnost v objevování částic
Jaderné reaktory
Berkeley, Bevatron, San Francisco
Elektronové urychlovače
Cambridge, Massachusetts, USA
CERN - LEP, Meyrin, Švýcarsko Z, W
DESY, Hamburk, Německo
Frascatti, Itálie (1963)
Stanford, Paolo Alto, poblíž San Francisca, Kalifornie, USA c
Protonové urychlovače
Brookhaven, New York, USA c CERN - SPS, LHC, Meyrin, Švýcarsko Dubna, severně od Moskvy, SSSR Fermilab, poblíž Chicaga, USA        b t
38.jpg Cyklotron
39.jpg Synchrotron
40.jpg Lineární urychlovač (1967), Stanford
41.jpg Pohled na CERN
42.jpg CERN - LEP, SPS, PS
43.jpg Supravodivý superurychlovač Elektron-protonový urychlovač HERA, DESY, Hamburk
46.jpg LHC, CERN - Large Hadron Collider
Detektory
44.jpg Detektor ALEPH na LEP, CERN
11
Umění vidět neviditelné
E. Rutherford počítal částice jako záblesky na stínítku.
Později se srážky zaznamenávaly na fotografický film.
Později elektronické oči, které předávají data k analýze počítačům.
Moderní detektory mají 1 500 000 a více elektronických kanálů, kterými zaznamenávají signály z jednotlivých „případů", jak se říká srážkám částic. Po průchodu shluků částic mají elektronické logické obvody čas jen miliontiny (25) sekundy, než dorazí další částice a v nich se rozhodnout, zda se stalo něco zajímavého nebo ne. Jestliže ne, elektronika se musí vynulovat a připravit na další srážky. V případě, že srážky vypadají slibně, několik dalších částic se ignoruje a detektor zpracovává danou informaci, což mu zabere několik set miliontin sekundy. Další vyhodnocení detekce je opět velmi složité (falešné signály, šum), musí se rekonstruovat dráhy pomocí spousty počítačových programů. Speciální části detektorů pak identifikují částice a měří dobu jejich průletu nebo jejich energii atd. Ze zakřivení v magnetickém poli se pozná, je-li částice nabitá a podle směru a velikosti zakřivení se dá určit, jestli je náboj kladný či záporný a vypočítat hybnost. V neposlední řadě je důležitá i zkušenost experimentátorů.
KurzECH.doc
12
9. Teorie strun (superstrun)
KurzECH.doc
TS01.jpg Příklady strun a jej ich interakcí TS02.jpg Mravenec a dvourozměrná a jednorozměrná trubka TS03.jpg Obecná teorie relativity, prostor se hmotou zakřiví TS04.jpg Černá díra
TS05.jpg Svinuté prostory (6) do Calabiho-Yauovy variety
TS06.jpg 3 velké dimenze a 6 svinutých
TS07.jpg Flop - protržení a následné zcelení prostoru
13
Literatura
1. Fischer J.: Průhledy do mikrokosmu. Mladá fronta, Praha
1986.
2. Coughlan G. D. and Dodd J. E.: The ideas of particle
physics. Cambridge University Press, Cambridge 1991.
3. Stoll I.: Fyzika mikrosveta. Prometheus, Praha 1993.
ISBN 80-85849-48-8.
4. Physical Review D, Particles and fields. Part I. Review of
Particle Physics, Vol. 54, Third Series, No. 1, 1 July 1996.
5. Fraser G., Lillestol E. a Sellevág I.: Hledání nekonečna.
Columbus, Praha 1996. ISBN 80-85928-37-X.
6. Greene B.: Elegantní vesmír. Mladá fronta, 2001.
ISBN 80-204-0882-7.
7. Hawking S. W.: Ilustrovaná teorie všeho. Argo, Praha
2004. ISBN 80-7203-575-4.
8. Horský J., Novotný J. a Stefaník M.: Uvod do fyzikální
kosmologie. Academia, Praha 2004. ISBN 80-200-1241-9.
9. Veltman M.: Fakta a záhady ve fyzice elementárních částic.
Academia, Praha 2007. ISBN 978-80-200-1500-6.
10. http://askanexpert.web.cern.ch/AskAnExpert/en/PPhysics
14