Föreläsning 6 och 7 Krafter; stark, elektromagnetisk, svag. Kraftförening

Transkript

1 Förläsning 6 och 7 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 Prssmddland: Noblprist i fysik oktobr 2008 Kungl. Vtnskapsakadmin har bslutat utdla Noblprist i fysik 2008 md na hälftn till Yoichiro Nambu Enrico Frmi Institut, Univrsity of Chicago, IL, USA "för upptäcktn av mkanismn för spontant symmtribrott inom dn subatomära fysikn" och md dn andra hälftn gmnsamt till Makoto Kobayashi High Enrgy Acclrator Rsarch Organization (KEK), Tsukuba, Japan och Toshihid Maskawa Yukawa Institut for Thortical Physics (YITP), Kyoto Univrsity, och Kyoto Sangyo Univrsity, Japan Passion för symmtri Att världn int tr sig som prfkt symmtrisk bror på avstg från symmtrin rdan på mikronivån. Rdan 1960 formulrad Yoichiro Nambu sin matmatiska bskrivning av spontana symmtribrott inom lmntarpartiklfysikn. Dssa spontana symmtribrott döljr naturns ordning undr n till syns rörig yta. D har visat sig orhört användbara och Nambus torir gnomsyrar partiklfysikns idag mst framgångsrika tori standardmodlln. I dn förnas alla matrins minsta byggstnar och tr av naturns fyra kraftr i tt nda toribygg. Spontana symmtribrott som Nambu tog sig an skiljr sig från d symmtribrott som bskrivs av Makoto Kobayashi och Toshihid Maskawa. Dssa vrkar höra naturn till från början och kom som n total övrraskning när d först uppnbarad sig i partiklxprimnt Först på snar år har man fått full bkräftls för dn förklaring som Kobayashi och Maskawa gav 1972 och som d nu får Noblprist för. D inordnad symmtribrottt i ramarna för standardmodlln, mn villkort för dtta var att modlln måst utökas till tr kvarkfamiljr. D spkulativa nya kvarkarna dök myckt riktigt upp så småningom i fysikrnas xprimnt. Och så snt som 2001 fann d två partikldtktorrna BaBar i Stanford, USA och Bll i Tsukuba, Japan, obrond av varandra, symmtribrott xakt såsom Kobayashi och Maskawa förutspådd nästan tr dcnnir tidigar. "för upptäcktn av ursprungt till dt symmtribrott som Ett liknand symmtribrott liggr bakom hla världsalltts uppkomst i big bang för 14 miljardr år sdan. Om dt då förutsägr att naturn måst ha minst tr familjr av fanns lika myckt matria som antimatria bord d ha kvarkar" utplånat varandra hlt. Så blv dt int, tt litt avstg från symmtrin md n nda partikl matria xtra på tio miljardr antimatripartiklar fick vår värld att lva vidar. Exakt hur dt gick till är fortfarand tt mystrium. Kansk kommr dn nya partiklacclratorn LHC vid CERN i Gnèv att g avgörand ldtrådar till gåtans lösning. 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 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 17

18 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 18

19 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 ) 19

20 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 20

21 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