LEGO sveta, v ktorom žijeme

Hyde Park Slovenskej sporiteľne 1

LEGO sveta, v ktorom žijemeŠtefan Olejník, Fyzikálny ústav SAV,

Bratislava

16.10.2013

Hyde Park Slovenskej sporiteľne 216.10.2013

Prečo sa snažíme spoznať, z čoho sa skladá hmota?

Odpovede pravdivé Odveká túžba po poznaní:

Empedokles (5. stor. p.n.l.): zem, vzduch, oheň, voda, Leukippos, Demokritos (5.–4. stor. p.n.l.): hypotéza o atómoch.

Svet poznaný je svet bezpečnejší. Neoddeliteľná súčasť kultúry. Dozvedáme sa o raných štádiách vesmíru. Prirodzená zvedavosť.

Odpovede pre ministra financií Poznanie vlastností hmoty nám umož-ňuje ich využívať: pre užitočné a, žiaľ, aj deštruktívne

ciele. Objavy ekonomického a praktického významu. Stimulácia priemyselného rozvoja a technického pokroku: experimenty si vyžadujú špičkové

technológie, prístroje, počítače. Vedľajší produkt, čo zmenil svet: WWW.


Objav jadra Ernestom Rutherfordom v roku 1911

Objav protónu (E. Rutherford, 1919) a neutrónu (J. Chadwick, 1932)

Predstava o kvarkoch(Gell-Mann, Zweig, 1964)a jej exp. potvrdenie(SLAC, 1969)

Grécki atomisti: predstavao atómoch ako nedeliteľných stavebných kameňoch hmoty.

Objav elektrónu (Thomson,1897)


Dĺžkové škály atómové, jadrové a subjadrové


Svet okolo nás vs. femtosvet

Svet našej každodennej skúsenosti: sa riadi zákonmi klasickej fyziky – Newtonovými zákonmi a Maxwellovou teóriu

elektro-magnetizmu, je nerelativistický – rýchlosti telies sú zanedbateľné voči rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI majú prirodzenú veľkosť.

Femtosvet: je kvantový, riadi sa zákonmi kvantovej mechaniky, viaceré veličiny sú

kvantované, je relativistický, urýchlené elementárne častice sa pohybujú rýchlosťami

blízkymi k rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI sú preň nevhodné / nepraktické.


Jednotky


Rôzne škály v eV

Teplota LHC magnetu

Izbová teplota

Fotóny viditeľného svetla

Fotóny ultrafial. svetla

Teplota vo vnútri Slnka

Hmotnosť up kvarkuHmotnosť elektrónu

Hmotnosť miónu

Hmotnosť protónu

Hmotnosť Higgsovho bozónu

Energia letiaceho komára

Energia zrážky v LHC

1/10 meV

1 meV = 1/1000 eV

1/100 eV

1/10 eV

1 eV

10 eV

100 eV

1 keV = 1000 eV

10 keV

100 keV

1 MeV = 1000 keV

10 MeV

100 MeV

1 GeV = 1000 MeV

10 GeV

100 GeV

10 TeV

1 TeV = 1000 GeV


Spin

Moment hybnosti: Jednotkou momentu hybnosti je J.s.

Spin je vnútorný moment hyb-nosti častíc. Nemá klasické vysvetlenie! Vhodnou jednotkou je

~ =1.055 £ 10-34 J.s . Spin je kvantovaný a môže sa rovnať iba celo- (0, 1, 2, ...) a poločíselným

(1/2, 3/2, 5/2, ...) násobkom ~. Celočíselný spin majú bozóny. Poločíselný spin majú fermióny.


A

BC

Ktorá minca je ťažšia?


Experimenty vo fyzike častíc: Rozptyl


Experimenty vo fyzike častíc: Nepružné zrážky a anihilácia


Čo potrebujeme na skúmanie vlastností častíc?

urýchľovač, terčík, detektory, teória (predstava, s ktorou porovnávame výsledok experimentu).


Ešte trocha histórie

Do 60. rokov 20. storočia: „fundamentálne“ častice utešene pribúdajú... Od 60. rokov 20. storočia: poriadok víťazí nad chaosom.


ŠTANDARDNÝ MODEL

16.10.2013


+ HIGGSŮV BOSON


Nestačia nám tri častice?

ne

e

p

p

?


Dnešný zoznam stavebných blokov hmoty


Základné sily (interakcie) medzi časticami

Gravitačná interakcia: Pôsobí na všetky hmotné telesá, vo svete elementárnych častíc pri súčasných energiách nehrá dôležitú úlohu.

Elektromagnetická interakcia: V atómovej fyzike určuje vlastnosti elektrónového obalu atómov, viaže atómy do molekúl, závisia od nej vlastnosti tuhých látok, kvapalín a plynov.

Silná interakcia: Viaže k sebe neutróny a protóny v jadre, prekonáva elektromagnetické odpudzovanie medzi protónmi. Jadrová silná interakcia je dôsledkom interakcií medzi kvarkami.

Slabá interakcia: Zodpovedá za rádioaktívne tzv. -rozpady jadier, zapríčiňuje rozpad neutrónu, ako aj niektorých ťažkých kvarkov. Zohráva dôležitú úlohu aj v jadrových reakciách vo vnútri hviezd (napr. aj Slnka).


fotón


Prenášače interakcií

23

Spin? BOZÓNYNulové vo

vákuu?HIGGSOV BOZÓN

0, 1, 2 nie

KALIBRAČNÉ BOZÓNY

gravitón(?)fotóngluónyZ-bozónW-bozón

Aké sily prenášajú

?Elektrický náboj?

áno

gravitačnéelektromagn.

slabé

silné0

½

FERMIÓNY

Interagujú silno?

KVARKY LEPTÓNY

áno nie

Elektrický náboj?

Elektrický náboj?

kvarky typu „u“

kvarkytypu „d“

up down

charm strange

top bottom

nabité leptóny

neutrína

elektrón e-neutríno

mión μ-neutríno

tauón τ-neutríno

... 1. generácia ...



±1

0-1-1/32/3

BLO

KO

VÝ

DIA

GR

AM

ŠTA

ND

AR

DN

ÉH

O M

OD

ELU



... 3. generácia ...16.10.2013


INTER

AK

CIE

V Š

TA

ND

AR

DN

OM

MO

DELI

l q

γ W Z g

H

16.10.2013


NOBELOVE CENY

16.10.2013


Nobelove ceny súvisiace so štandardným modelom

• za príspevky a objavy týkajúce sa klasifikácie elementárnych častíc a ich interakcií.1969: Murray Gell-Mann

• za priekopnícku prácu pri objave ťažkej elementárnej častice nového druhu.

1976: Burton Richter, Samuel C. C. Ting

• za príspevky k teórii zjednotenej slabej a elektromagnetickej interakcie medzi elementárnymi časticami vrátane o.i. predpovede slabého neutrálneho prúdu.

1979: Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg

• za rozhodujúce príspevky k veľkému projektu, ktorý priviedol k objavu častíc polí W a Z, sprostredkovateľov slabých interakcií.

1984: Carlo Rubbia, Simon van der Meer

• za metódu neutrínového zväzku a dôkaz dubletnej štruktúry leptónov prostredníctvom objavu miónového neutrína.

1988: Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger

• za priekopnícke výskumy hlbokého nepružného rozptylu elektrónov na protónoch a viazaných neutrónoch, ktoré mali podstatný význam pre rozvoj kvarkového modelu v časticovej fyzike.

1990: Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, Richard E. Taylor

• za priekopnícke experimentálne príspevky k fyzike leptónov: objav τ-leptónu a detekciu neutrín.

1995: Martin L. Perl, Frederick Reines

• za osvetlenie kvantovej štruktúry elektroslabých interakcií vo fyzike.1999: Gerardus 't Hooft, Martinus J. G. Veltman

• za objav asymptotickej voľnosti v teórii silnej interakcie.2004: David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek

• za objav mechanizmu spontánne narušenej symetrie v subatómovej fyzike a za objav pôvodu narušenej symetrie, ktorá predpovedá existenciu najmenej troch generácií kvarkov v prírode.

2008: Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa

• 2013: François Englert, Peter Higgs

16.10.2013


Nobelova cena vo fyzike 2013

Nobelova cena vo fyzike 2013 bola udelená spoločne Françoisovi Englertovi a Peterovi W. Higgsovi „za teoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu chápaniu pôvodu hmotností subatomár-nych častíc a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpovedanej fundamentálnej častice experimentami ATLAS a CMS na Veľkom hadrónovom zrážači v CERNe“

16.10.2013


Symetrie v prírode

16.10.2013


Narušenie symetrií

Explicitné: Hlavná časť fyzikálneho zákona, ktorým sa systém riadi, má určitú symetriu, ale nejaká menšia časť túto symetriu porušuje.

Spontánne: Fyzikálny zákon symetriu má, ale stavy systému nie sú symetrické.

16.10.2013


Trošku z histórie slabých interakcií

Interakcia má veľmi krátky dosah.

Problém: Výpočty vedú k rozumným výsledkom iba v najnižšom priblížení, kvantové opravy sú nekonečne veľké. Teória nie je matematicky prijateľná.

Hmotnosť intermediárneho bozónu musí byť veľmi veľká, lebo dosah interakcie je nepriamo úmerný hmotnosti. Vtedy sa však opäť vynorí predchádzajúci problém nekonečných výrazov.

Možné riešenie (?): bozón by mal mať nulovú hmotnosť, ako v prípade fotónu v elektrodynamike; ale ako sa dá vtedy ale zabezpečiť krátky dosah?

16.10.2013

Fermiho teória Hypotéza o intermediárnom

bozóne


"... keď je tvoja dcéra taká múdra, nech príde zajtra ku mne, ale nech to nie je vo dne ani v noci, ani peši, ani na voze

a nech nie je ani oblečená, ani nahá."

(Múdra pastierka, slovenská ľudová rozprávka)


Higgsovo pole a Higgsova častica

V kvantovej teórii je každá častica spojená s poľom, častice sú excitácie na hladine polí – opisuje ich kvantová teória polí.

Polia častíc (azda s výnimkou gluónových polí, ale to je téma na inú prednášku) sú vo vákuu nulové.

Polia všetkých fundamentálnych častíc (s výnimkou gluónov a fotónov) interagujú s Higgsovým poľom.

Higgsovo pole vo vákuu nie je nulové, ale má konečnú hodnotu. Celý Vesmír je vyplnený Higgsovým poľom.

Pozorovaná Higgsova častica je excitáciou Higgsovho poľa.

16.10.2013


Higgsova častica

Higgsovo pole

poloha v priestore

hodnotapoľa

iné polia(elektromagnetické,gluónové, kvarkové, leptónové, atď.)


Dve tváre (elektroslabého sektora) štandardného modelu

Pred výberom „súradníc“ pre Higgsovo pole 4 polia A1, A2, A3, B s nulovou

hmot-nosťou a spinom 1, každé s dvoma fyzikálnymi stavmi.

4 higgsovské polia (so spinom 0).

4 x 2 + 4 = 12

V takejto forme teórie možno dokázať matematickú konzistentnosť.

Po výbere „súradníc“ pre Higgsovo pole 1 fotónové pole s nulovou

hmotnosťou, s dvoma fyzikálnymi stavmi.

2 polia nabitých W+ a W- bozónov s nenulovou hmotnosťou, každé s tromi fyzikálnymi stavmi.

1 pole Z0 bozónu s nenulovou hmotnosťou, s tromi fyzikálnymi stavmi.

1 Higgsovo pole s nenulovou hmotnosťou.

1 x 2 + 2 x 3 + 1 x 3 + 1 = 12

V tomto obraze má teória fyzikálny obsah, ako je pozorovaný v prírode.

16.10.2013

Obe formy/tváre teórie sú úplne ekvivalentné.


Hmotnosti fundamentálnych častíc

Škálu hmotností definuje hodnota Higgsovho poľa vo vákuu:

Hmotnosti W a Z bozónov sa dajú vypočítať (preto experimentátori vedeli, kde ich hľadať):

Hmotnosti nabitých leptónov a kvarkov sú úmerné v, ale konštantu úmernosti ŠM nepredpovedá:

Hmotnosť Higgsovho bozónu sa nedá v modeli vypočítať, preto trvalo tak dlho, kým bol objavený.

16.10.2013


LHC – najväčší experimentálny komplex na svete


ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS


CMS: Compact Muon Solenoid

16.10.2013


Ako sa varí Higgsov bozón?

Produkcia Rozpad

16.10.2013

57%

21%

9%

6%

3%

3%0.2%0.2%

bottom-antibottom

W+ W-

2 gluóny

tau-antitau

charm-anticharm

2 Z bozóny

2 fotóny

Z + fotón


Born on the Fourth of July (2012)

16.10.2013


Dva mýty o Higgsovom bozóne

Božská častica? A prečo?

Higgsov bozón (ne)dáva hmotnosť všetkým časticiam. Hmotnosť dvoch u-kvarkov a

jedného d-kvarku, ktoré tvoria protón, je spolu asi 12 MeV.

Hmotnosť protónu je asi 80-krát väčšia.

Za väčšinu svojej hmotnosti vďačí protón silným interakciám!

16.10.2013


A ČO ĎALEJ ?

16.10.2013

The human desire to understand the world will not reach a triumphant conclusion just because we have discovered the Higgs boson.

Ľudská túžba pochopiť svet predsa nedosiahne triumfálne zavŕšenie iba tým, že sme objavili Higgsov bozón.

Sean Carroll, The Particle at the End of the Universe (Oneworld Publications, London, 2012)


Veľké nezodpovedané záhady fyziky častíc

Je objavený Higgsov bozón naozaj tým pravým Higgsovým bozónom štandardného modelu?

Prečo existujú práve tri generácie leptónov a kvarkov? Odkiaľ sa berú také rôzne hmotnosti častíc? Sú všetky interakcie prejavom tej istej sily, je možné vymyslieť jednotnú „teóriu

všetkého“?

Existuje v prírode supersymetria (ktorá každému fermiónu priraďuje bozón s podobnými vlastnosťami a naopak)?

Sú všetky častice iba excitácie superstrún?

Prečo sa náš vesmír skladá prevažne z hmoty, kam sa podela antihmota? Aká bola úloha neutrín vo vývoji vesmíru? Je náš časopriestor naozaj štvorrozmerný alebo existujú „skryté“ dimenzie? Čo je tmavá hmota vo vesmíre a odkiaľ sa berie tmavá energia?


Ďakujem za pozornosť a trpezlivosť!

V prednáške boli použité obrázky z webovských stránok niektorých laboratórií (CERN, DESY, atď.), z popularizačných vystúpení viacerých autorov o fyzike elementárnych častíc (napr. dr. J. Dolejšího z MFF UK a dr. J. Rameša z FzÚ AV ČR v Prahe), z knihy Seana Carrolla The Particle at the End of the Universe, z Wikipedie a vyhľadané pomocou Google. Všetkým – aj anonymným – autorom patrí moja vďaka.

Text prednášky je možné nájsť na webe: http://dcps.sav.sk/olejnik/seminars/s161013.ppsx.

LEGO sveta, v ktorom žijeme

Documents

Transcript of LEGO sveta, v ktorom žijeme