Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Relevanta dokument
Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Higgsbosonens existens

Introduktion till partikelfysik. CERN Kerstin Jon-And Stockholms universitet

EXAMENSARBETE C. Kvarkar. - upptackt och aterupptackt

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Partikelfysik och Kosmologi

Higgspartikeln. och materiens minsta beståndsdelar. Johan Rathsman Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet. NMT-dagar i Lund

Om Particle Data Group och om Higgs bosonens moder : sigma mesonen

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Att utforska mikrokosmos

Att förena gravitation och elektromagnetism i en (klassisk) teori. Kaluza [1919], Klein [1922]: Allmän

Murray Gell-Mann och

Christophe Clément (Stockholms Universitet)

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

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

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Föreläsningsserien k&p

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Föreläsning 12 Partikelfysik: Del 1

4.10. Termonukleär fusion

Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).

Krävs för att kunna förklara varför W och Z bosoner har massor.

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

Detektion av subatomiska partiklar och framväxten av standardmodellen. Jens Fjelstad

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

Partikeläventyret. Bernhard Meirose

Upptäckten av Higgspartikeln

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

Leptoner och hadroner: Teori och praktik inom partikelfysiken

Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

Föreläsning 6. Amplituder Kvanttillstånd Fermioner och bosoner Mer om spinn Frågor Tentan. Fk3002 Kvantfysikens grunder 1

Elementarpartikelfysik sammanfattning (baserad på anteckningar av Sten Hellman)

Theory Swedish (Sweden)

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Den experimentella partikelfysikens framtid.

Universums uppkomst: Big Bang teorin

Rörelsemängd och energi

III Astropartikelfysik och subatomär fysik

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

INTRODUKTION TILL PARTIKELFYSIK. Från atomer till kvarkar

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Varför forskar vi om elementarpartiklar? Svenska lärarare på CERN Tord Ekelöf, Uppsala universitet

Kvantmekanik II (FK5012), 7,5 hp

Föreläsning 2 Modeller av atomkärnan

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

Christian Hansen CERN BE-ABP

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Phenomenology, Theoretical interpretation Heavy Scalar octet. m s 1.45 GeV Glueballs spectra

Atomkärnans struktur

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Studiematerial till kärnfysik del II. Jan Pallon 2012

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

Hur kan man finna Higgs boson? Donna Montagna, Kalle Nyman & Peter Henningsson

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

En studie av särpartiklar

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

Vanlig materia (atomer, molekyler etc.) c:a 4%

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Innehåll. Förord Del 1 Inledning och Bakgrund. Del 2 Teorin om Allt en Ny modell: GET. GrundEnergiTeorin

Tentamen, Kvantfysikens principer FK2003, 7,5 hp

Föreläsningsserien k&p

Materiens Struktur. Lösningar

Varför behöver vi higgs-partikeln?

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Acceleratorer och Detektorer Framtiden. Barbro Åsman den

Partikelfysik, astrofysik och kosmologi.

Materiens Struktur. Lösningar

1.5 Våg partikeldualism

SUBATOMÄR FYSIK F3, 2004

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 4 Lösningar

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Mer om E = mc 2. Version 0.4

Neutrinon masslös eller massiv?

Materiens Struktur II Del III Partikelfysik

Kärnfysik: kärnreaktioner och tillämpningar Inledande partikelfysik.

En studie av särpartiklar

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Big bang Ulf Torkelsson. 1 Enkla observationer om universums kosmologiska egenskaper

1 Speciell relativitetsteori

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

Kvantmekanik II - Föreläsning 14

Higgspartikeln upptäckt äntligen!

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Röntgenstrålning och Atomkärnans struktur

Transkript:

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner Bevarandelagar i reaktioner MP 13-3 Elementarpartiklarnas periodiska system Standard Modellen och kraftförening MP 13-4 Vad härnäst? MP 13-5 Se även http://particleadventure.org/ 1

Bevarandelagar i reaktioner Vi har tidigare lärt oss att i reaktioner bevaras: Den totala energin, Etot Rörelsemängden, p Totala impulsmomentet, J Laddningen, Q Vi skall nu introducera några fler egenskaper som bevaras i partikelreaktioner. 2

Baryoner som består av tre kvarkar, t.ex. neutronen och protonen har baryontal B=1. Anti-baryoner har baryontal B-1. Leptoner (e, ν, µ...) har leptontal L=1. Varje generation har sitt eget leptontal (Le, Lµ, Lτ) p p π ee+ νe νe B 1-1 L 1-1 1-1 Baryontal och Leptontal bevaras i alla reaktioner e- + p n + n Q: -1 B: L: 1 e- + p n + νe Q: -1 B: L: 1 1 3

Paritet har med koordinatförändringa att göra. Paritetsoperatorn speglar koordinatsystemet. P Ψ(x) Ψ(-x) Spegel s s p Högervriden Helicitet: högervriden=+ vänstervriden=- -p Vänstervriden Beroende på om vågfunktionen är udda eller jämn kan man särskilja mellan positiv och udda paritet. En del partiklar har jämn vågfunktion och därmed positiv paritet andra har udda och negativ paritet. Ψ(-x) = +Ψ(x) positiv paritet (jämn) Ψ(-x) = -Ψ(x) negativ paritet (udda) 4

Högervridna partiklar blir vänstervridna och vice versa av paritetsoperatorn. Däremot behåller vågfunktionen tecken om den är jämn eller så ändras det om vågfunktionen är udda. Kraftverkan lika oavsett spinnnets riktning i förhållande till rörelseriktning. Observera att paritet är en multiplikativ variabel till skillnad från de övriga (laddning, leptontal, energi) som är additiva. Följande gäller för pariteten hos grundtillstånd Baryoner Mesoner Leptoner Foton P -1-1 Paritet och banimpulsmomentet L är relaterade: P = (-1)L Därför kan exiterade tillstånd ha annan paritet än grundtillståndet beroende av L. 5

Paritet bevars i både stark och elektromagnetisk växelverkan men EJ i svag växelverkan. (Orsaken är att naturen är skapt utan högervridna neutriner. Kvarkar och laddade leptoner kan vara både höger och vänster vridna) ν s p ν s p 6

Isospinn T, projektion T3 Isospinn används för att beskriva partiklars olika massa som en elektromagnetisk egenskap, formalismen är hämtad från spinn formalismen där t.ex. spinn-1/2 partiklar kan anta 2 projektion sz= ±1/2. q=eq=e(t3+b/2) sz { spinn s s 1 ℏ T3 { T T 1 Isospinn Liksom elektrostatiska kraften mellan två elektroner är oberoende av spinnriktningen så är starka kärnkraften mellan pn, nn eller pp lika stor oberoenda av riktningen hos T 3. 7

I isospinnformalismen är t.ex. n och p projektioner av samma isospinn. Nukleon π-meson { N=p N=n { T=1/2 T=1/2 T3= /2 T3= - 1/2 π = π+ T=1 T3= π = π T=1 π = π T 3= T=1 T3=-1 Isospinn bevaras vid stark växelverkan men ej i elektromagnetisk och svag växelverkan. Isospinnprojektionen bevaras både i stark och elektromagnetisk växelverkan 8

Kvarkar och leptoner är uppdelade i 3 generationer. Vi har nu endast behandlat den första generationen där u- och d- kvarken samt e och νe ingår. För att studera reaktioner mellan kvarkar från olika generationer måste nya kvanttal införas. T.ex. Kaonen (K-mesonen) består av en kvark ur generation I och skvarken ur generation II. K+ KK us us ds } m(k ) = 493 MeV m(k ) = 497 MeV Lambda (baryonen) är en "neutron" där en d-kvark ersatts med en s-kvark Λ uds m(λ)=1115 MeV Om stark växelverkan skulle fungera mellan generationer skulle man förvänta sig att K-meson snabbt sönderfaller till π-mesoner. Experiment visar dock att K-mesonen tar en god tid på sig innan den sönderfaller till π-mesoner. (Spårens längd cm i stället för 1 fm) 9

1

Detta ledde till ett nytt kvanttal, särtal (strange) och betecknas S. S är -1 för var s-kvark och för anti-kvark K+ KΛ Ξ n p π S -1-1 -2 S bevaras av starka kraften men ej av svaga kraften Q B T T3 S π- + p -1 1 ½ -1 +½ K + Λ ½ -½ -1 Processen tillåts ej av den starka kraften eftersom isospinn inte bevaras. Sönderfallet tillåts däremot genom EM kraft. I sönderfallet π- + p K + Λ+ π bevaras även isospinn och kan såldes ske genom stark kraft. 11

K π+ + πq B T3 S -1/2-1 processen tillåts EJ av den starka kraften men tillåts av den svaga. Särtalet kan beräknas ur andra kvanttal enligt: S = 2(Q-T3) - B proton neutron K+ K S=2(1-1/2)-1= S=2(/2)-1= S=2(1-1/2)-= S=2(/2)-= Eftersom Q, B, T3 och S korrelerar med varandra kan vi definiera ett kvanttale Hyperladdning Y: Y= S+B = 2(Q-T3) 12

Bevarandelagar: Bevarad kvantitet Energi Rörelsemängd Laddning Baryontal Leptontal Isospin Hyperladdning Särtal Paritet Stark EM Nej Svag Nej Nej Nej Nej Egenskaper för Hadroner och leptoner m.m hittas i PH T-7.2 (s.125-129) I likhet med särkvarkens kvanttal finns det kvanttal för de övriga kvarkana i generation II och III 13

Elementarpartiklarnas periodiska system Om man presenterar hyperladdning mot iso-spinn i en graf så uptäcker man att det finns en struktur! Denna struktur är en följd av den matematiska gruppteorin som elementarpartikelfysiken bygger på. Graferna bygger på SU(3) grupp teori där Isospinn och hyperladdning utgör 4 av totalt 8 komponenter i 3 x 3 Lie grupp. SU(3) leder till multipletter om (1,3,8,1...) Σ(1193) n -2-1 K (494) -1-2 +2 K (498) η'(549) -1 Ξ (1321) -1-2 Baryoner med spinn 1/2 +(1232) ++(1232) Σ (1385) T3 Mesoner med spinn -2 Σ(1385) Σ+(1385) -1 Ξ (153) -1 + T3 +2 Ξ (1315) + (1232) +2 (1232) - Λ(1116) p Σ+(1189) +2 + Σ (1197) Y K (498) K (494) π (135) η(549) + π (14) π (14) +2 Y -2 Y +2 Ξ (153) + T3-2 Ω(1672) Baryoner med spinn 3/2 14

Baryoner med spinn 1/2 Triplet, T=3 -> T3= Singlet, T= -> T3= Y Y +2 +2 Σ(1193) n -1 Ξ (1321) -1 +2 Ξ (1315) udd T3-2 uud uds uus dds Σ+(1189) Σ (1197) -2 uds Λ(1116) p -1 dss -1 uss +2 T3-2 -2 Baryoner och deras viloenergi Baryoner och deras kvarksammansättning Ξ (1321) Ξ(1315) JP = ½ + Σ (1197) Σ(1193) Σ+(1189) Λ(1116) Energinivå diagram liknande atomens/atomkärnans! N (939) P (938) 15

Standard Modellen i ett nötskal Standard Modellen (från 1978) beskriver elementarpartiklarna och fundamentala krafter. Standard Modellens hörnstenar är kvant kromodynamiken (QCD) som beskriver den starka kraften och och den elektrosvaga teorin (utvecklad av Weinberg, Salam och Glashow på sent 6-tal) som sammanbinder den svaga och elektromagnetiska kraften till en och samma kraft. Standard Modellen har tre generationer av spinn-1/2 kvarkar och leptoner som bygger upp all materia. Kraft överförs av spinn-1 bosoner där 8 st gluoner bär den starka kraften och fyra bosoner överför den elektro-svaga kraften (γ, Z, W+ och W-). Fotonen har ingen massa och överför den elektromagnetiska kraften medan de tre övriga är massiva och överför elektro-svag ström. Standard Modellen har ännu inte lyckats besvara frågan varför hadroner och leptoner har massa (och orsaken till att massorna skiljer sig mellan generationer). Forskare hoppas finna Higgs bosonen som bekräftar att det finns ett Higgs-kraftfält. Partiklarna får sin massa genom att växelverka med Higgs- 16

Sammanfattning i repris 17

Varför har partiklar massa? 18

Och här mer fysikalsikt photon (no mass) electron (low mass) tau lepton (high mass) el H τr H τr τl H H τr τl H H H ttr ttr ttr H H ttr ttr H dl dr H ttr τr τl H dr H ttr τr τl H dl (low mass) (high mass) H τl down quark top quark er ttr H ttr ttr ttr ttr ttr ttr ttr H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH H LH Om det endast finns vänsterhänta neutriner kan de ej ha massa! vl neutrino Antingen finns högerhänta neutriner som ej har hittats eller så måste SM förbättras. neutrino vl H vr H 19

DELPHI detektorn vid LEP (19921) 2

ATLAS detektorn vid LHC (28-) Motsv. storlek på DELPHI detektorn 21

Z bosonen sönderfaller till leptoner, sedd i DELPHI detektorn xy-projektion z-projektion e+ e- γ / Z e+ e- x t 22

Z bosonen sönderfaller till kvarkar xy-projektion e+ e- γ / Z q q 23

Bevis för 3 generationer i Z boson sönderfall Genom att beräkna tvärsnittet för alla reaktionersom tillåts av SM och jämföradetta med experimentellt data kan man visa att SM endast har plats för 3 generationer 24

Top kvark händelse i ATLAS Möjlig produktionsprocess För Higgs i top kvark händelser 25

Higgs resultat H γγ 26

Higgs resultat H 4l 27

Kraftförening Flera framstående fysiker har kämpat för att hitta en teori om allting. Standard Modellen beskriv väl den fysik vi kan experimentellt uppnå men den är fortfarande långt ifrån en teori om allting. I SM ingår t.ex. inte gravitation. En gåta som gäckar forskarna är varför vi har fyra olika krafter? Maxwell visade redan 1865 att magnetism och elektrostatiska kraften kunde sammanbindas i en teori där ett vektofält växelverkade med ström och laddning. I teorin ingick en godtycklig konstant c som kallades ljusets hastighet vars värde inte kunde förutspås av teorin utan måste experimentellt uppmätas. Standard Modellen förenar elektromagnetiska kraften med den svaga kraften i en teori. Denna teori har också en del parametrar som inte förutspås av teorin utan måste uppmätas. Naturligt är att önska sig att de krafter vi har i dag egentligen är olika former av samma grundkraft. 28

Starka kraften & asypmtotisk frihet Kopplingskonstante rnas (αs, αw, αem) styrka är i själva verket inte konstanta utan de varierar med energi. Den eletromagnetiska växelverkan ökar med energi medan den svaga och starka minskar med energi. Vid tillräckligt hög energi blir den starka växelverkan så svag att kvarkarna kan ses som fria partiklar, detta kallas asymtotisk frihet. 29

Kopplingskonstanten α's styrka är olika vid olika energier. Experimentella mätningar visar att med ökad energi minskar skillnaden i styrka mellan de olika krafterna. Om man extrapolerar de olika krafterna så ser de ut att sammanfalla vid ca. 115 GeV. Vägen till Grand Unification Theory är dock lång men tidigare erfarenhet säger att mycket spännande kommer att inträffa på vägen. Kraftförening (GUT) 3