Föreläsning 5 och 6 Krafter; stark, elektromagnetisk, svag. Kraftförening

Transkript

1 Förläsning 5 och 6 Kraftr; stark, lktromagntisk, svag. Kraftförning Partiklfysik introduktion Antimatria, MP 13-1 Fynman diagram Kraftr och växlvrkan, MP 13-2 S ävn 1

2 2

3 3

4 Mot alla konstns rglr, startar md sammanfattning En liknand tabll övr frmionrnas anti-partiklar ( anti-frmionr ). Dssa är idntiska md frmionra förutom att d har motsatta kvanttal (t.x. laddning) 3 familjr/gnrationr 4

5 Frmion: En partikl som följr Frmi-Dirac statistik. Partiklar md spin=1/2 är frmionr (,p,n..) Boson: En partikl som följr Bos-Einstin statistik. Partiklar md hltaligt spin är bosonr (γ, gluonr,...) Växlvrkan: utbyt av nrgi och rörlsmängd mllan partiklar samt möjlight att skapa llr förinta (annihilra) partiklar. Rll partikl: En partikl md total nrgi E och rörlsmängd p som tillfrdsställr kvationn: E= pc ² m 0 c² ² (1) Virtull partikl: n partikl som har n sannolikht att xistra inom Hisnbrgs osäkrhtsrlation E t ħ, mn som int uppfyllr nrgivillkort (1) ovan. 5

6 Antimatria Paul Dirac tolkad 1928 d ngativa nrgir som fås vid rotutdragning av E 2 = pc ² m 0 c² ² E=± pc ² m 0 c² ² som tt "hål" i n sjö fylld av lkronr E(γ)>2m c 2 +m c 2 - rlla lktronr -m c 2 + sjö md lktronr 6

7 Matria och antimatria förintas i möt md varandra γ + γ, Q=2 511 kv=1.022 kv γ + - γ Upptäckt: positron 1932 Kosmisk p antiproton 1955 Acclrator, USA 3 Hantihliumkärna 1972 Acclrator. USSR H antivätatom 1995 CERN. Schwiz 7

8 Partiklkollision md vätkärna i Bubblkammar 8

9 Fynmandiagram Richard Fynman hitta på tt praktiskt sätt att bskriva lktromagntisk växlvrkan mllan partiklar som nu används vid visualisring av all kvantfälttori. t E 1 E 2 Undr Δt finns övrskottsnrgi i systmt. Fotonn mllan 1 och 2 är virtull. Övrskottsnrgin ΔE = E γ Δt 1 α α 2 E ħ t E 1 E 2 Coulombrpullsion 9 x

10 Punktrna 1 och 2 i diagrammt kallas vrtx och sannolikhtn för att procssn skall sk α (kopplingskonstant) bror i första hand av vilkn styrka växlvrkan har. Mllan 1 och 2 propagrar kvantat som övrför dn växlvrkand kraftn. Ex: γ γ Comptonspridning 10

11 Kraftr I dag kännr vi fyra fundamntala kraftr Stark kraft Elktromagntisk kraft Svag kraft Gravitation 11

12 12

13 Stark kraft Dn starka växlvrkan skr mllan kvarkar och är därmd orsakn till att nuklonn hålls ihop. Kvantat för dn starka kraftn htr gluon. Partiklar som växlvrkar gnom stark kraft kallas Hadronr (och bstår därför av kvarkar). Partiklar som bstår av två kvarkar kallas Msonr: q 1 q 2 Ex. π + : ud, π - : ud, π 0 : (uu-dd)/ 2. K + : us, D - : cd, D s + : cs, B - : ub Partiklar som bstår av tr kvarkar kallas Baryonr: q 1 q 2 q 3 Nuklonrna (n och p) är baryonr Ex. p: uud, n: udd, p: uud Σ + : uus, Σ 0 : uds, Σ - : dds Ξ 0 : uss, Ω - : sss, Λ + c : udc, Λ 0 b :udb 13

14 Ävn dn starka kärnkraftn som skr mllan nuklonr är stark växlvrkan. π-msonn förmdlar kraftn undr dn korta tid Hisnbrgs osäkrhtsrlation tillåtr. Starka kraftn har kopplingskonstantn α s.(rlativ styrka =1) n π 0 n n π + p n n p n 14

15 Kvanttalt för stark växlvrkan htr färg (color). Alla kvarkar kan anta n av tr färg kvanttal (röd, blå och grön). På samma sätt som utslutningsprincipn sägr att spin-1/2 partiklar int kan bsätta samma kvanttillstånd så kan int samma färg ingå två gångr i n Hadron. Alla partiklar som xistrar i naturn är färglösa. Dtta är n av hörnstnarna i Kvant Kromodynamikn (QCD) x. Proton p u-kvark, q=+2/3 d-kvark, q=-1/3 15

16 Elktromagntisk kraft Dn lktromagntiska växlvrkan skr mllan laddad partiklar. Partikln som förmdlar dn lktromagntiska kraftn är fotonn. Räckviddn för dn lktromagntiska växlvrkan är oändlig. Kvant lktrodynamikn (QED) bskrivr dn lktromagntiska kraftn och är antaglign dn mst tstad tori i världn. Elktromagntiska kraftn har kopplingskonstantn α EM. (Rlativ styrka =1/137) EM = ħ c 16

17 Svag kraft Nutrinr växlvrkar nbart via svag växlvrkan som är för svag att märkas då laddad partiklar växlvrkar. Vid nutrinoväxlvrkan är ndast svag växlvrkan möjlig. Kraftn förmdlas av W +, W - och Z 0 bosonrna som är myckt tunga. W ± : m W c 2 = 82 GV Z 0 : m z c 2 = 91 GV } upptäckts av C. Rubbia CERN 1981 W - p llr W + p ν n ν n 17

18 Svaga kraftnhar p.g.a. bosonrnas höga massa n myckt kort räckvidd. E = E K m W c 2 t ħ E = ħ E K m w c 2 ħ m w c 2 s=sc t ħ c m w c 2 = fm 400 ggr mindr än protonns storlk Svaga kopplingskonstantn α w. (Rlativ styrka ~10-5 ) 18

19 p - ν n p ν W - α w α w Bta söndrfall n Nutrala strömmar p + p + ν Z 0 p + ν p + ν p γ/z 0 p ν p p Växlvrkan mllan och p skr gnom n kombination av lktromagntisk kraft + svag kraft = lktrosvag växlvrkan 19

20 Gravitation Alla partiklar md massa växlvrkar via gravitation. Gravitationn förmdlas av kvantat graviton som antas vara masslös. I likht md dn lktromagntiska växlvrkan är gravitationns utbrdning oändlig. Gravitationn är myckt svag i förhålland till d övriga kraftrna md rlativ styrka