Detektion av subatomiska partiklar och framväxten av standardmodellen. Jens Fjelstad

Relevanta dokument
Higgsbosonens existens

Introduktion till partikelfysik. CERN Kerstin Jon-And Stockholms universitet

Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

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

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

Partikelfysik och Kosmologi

Murray Gell-Mann och

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

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

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

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

1.5 Våg partikeldualism

4.10. Termonukleär fusion

Elementarpartikelfysik sammanfattning (baserad på anteckningar av Sten Hellman)

Föreläsning 12 Partikelfysik: Del 1

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

Upptäckten av Higgspartikeln

Att utforska mikrokosmos

Acceleratorer och Detektorer Framtiden. Barbro Åsman den

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

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Del A: Seminarium i Hedemora Tord Ekelöf, Uppsala universitet

SUBATOMÄR FYSIK F3, 2004

Varför behöver vi higgs-partikeln?

Månadens fysiker Januari 2017

Theory Swedish (Sweden)

Neutrinon masslös eller massiv?

Leptoner och hadroner: Teori och praktik inom partikelfysiken

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

Partikeläventyret. Bernhard Meirose

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

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

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

EXAMENSARBETE C. Kvarkar. - upptackt och aterupptackt

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

Rörelsemängd och energi

Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

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

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

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

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Den experimentella partikelfysikens framtid.

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

III Astropartikelfysik och subatomär fysik

Kvarkar, leptoner och kraftförmedlare. Kerstin Jon-And Fysikum, SU 28 april 2014

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

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

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

INTRODUKTION TILL PARTIKELFYSIK. Från atomer till kvarkar

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

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

Lundamodellen för högenergikollisioner

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

Materiens Struktur II Del III Partikelfysik

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

Christian Hansen CERN BE-ABP

Higgspartikeln upptäckt äntligen!

Christophe Clément (Stockholms Universitet)

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

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

Atomkärnans struktur

Cygnus. I detta Cygnus. medlemsblad för Östergötlands Astronomiska Sällskap (ÖAS) Se våra aktiviteter i ÖAS under höstsäsongen.

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Tomrummet Partikelfysik 2008 av Josef Kemény

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

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

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

Version 24/4/02. Neutriner som budbärare från KOSMOS

Röntgenstrålning och Atomkärnans struktur

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 12. Kärnfysik Kärnfysik 1

En studie av särpartiklar

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

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Nobelpriset i fysik 2008

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

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

Partikelfysik, astrofysik och kosmologi.

Mer om E = mc 2. Version 0.4

Modernfysik 2. Herman Norrgrann

Kosmisk strålning & tungjonsfysik

En studie av särpartiklar

Föreläsning 4 Acceleration och detektion av partiklar

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

Innehåll. I vilket den tyska matematikern Emmy Noether upptäcker förhållandet mellan bevarandelagar och naturens djupare symmetrier

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Föreläsning 4 Acceleration och detektion av partiklar

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Dopplereffekt och lite historia

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Om partikelfysik och miljardsatsningar

Den Speciella Relativitetsteorin DEL I

En resa från Demokritos ( f.kr) till atombomben 1945

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Partikelfysik och Kosmologi

Transkript:

Detektion av subatomiska partiklar och framväxten av standardmodellen Jens Fjelstad 2010 04 19

Neutrinon Lise Meitner & Otto Hahn [1911]: energin hos betapartiklar (elektroner) vid betasönderfall A B + e har ett kontinuerligt spektrum i princip oberoende av energierna hos A och B Slutligen verifierat 1927 [Chadwick, Ellis, Wooster] Verkar bryta mot Energilagen: Den totala energin är bevarad i alla processer Bohr [1929]: Energi kanske ej bevarad i processer inuti atomkärnor Pauli [1930] in an act of desperation : postulerar att en ny partikel produceras vid betasönderfall, elektriskt neutral och mycket lätt Fermi [1931]: Neutrino, A B + e + ν e i modernt språk: ν e elektronens antineutrino 2 / 23

Neutrinon Lise Meitner & Otto Hahn [1911]: energin hos betapartiklar (elektroner) vid betasönderfall A B + e har ett kontinuerligt spektrum i princip oberoende av energierna hos A och B Verkar bryta mot Energilagen Pauli [1930] in an act of desperation : postulerar att en ny partikel produceras vid betasönderfall, elektriskt neutral och mycket lätt n e Fermi [1934]: kvantfältteoretisk modell för betasönderfall inspirerad av QED (fyr-fermi teori) n p + e + ν e n + ν e p + e Fermis teori innebär att betsönderfall involverar ny kraft, svag kraft el. svag växelverkan 2 / 23 ν e p

Betasönderfall och Paritetssymmetrin Rumtidssymmetrier: fysiken oberoende av riktning i rummet; rotationssymmetri gruppen SO(3) fysiken oberoende av läget i rummet; translationssymmetri speciell relativitet: fysiken oberoende av rotation och läge i rumtiden; Poincarésymmetri matematiskt: Poincarégruppen Fler rumtidssymmetrier? reflektion i ett plan: paritetstransformation P En partikel med spinn 1/2 (ex. elektronen) kan vara chiral : vänsterhänt ψ L högerhänt ψ R Pψ L/R = ψ R/L 3 / 23

Betasönderfall och Paritetssymmetrin Rumtidssymmetrier: fysiken oberoende av riktning i rummet; rotationssymmetri fysiken oberoende av läget i rummet; translationssymmetri speciell relativitet: Poincarésymmetri Fler rumtidssymmetrier? reflektion i ett plan: paritetstransformation P y x P z z En partikel med spinn 1/2 (ex. elektronen) kan vara chiral : högerhänt vänsterhänt vänsterhänt ψ L högerhänt ψ R Pψ L/R = ψ R/L 3 / 23 x y

Betasönderfall och Paritetssymmetrin Rumtidssymmetrier: fysiken oberoende av riktning i rummet; rotationssymmetri fysiken oberoende av läget i rummet; translationssymmetri speciell relativitet: Poincarésymmetri Fler rumtidssymmetrier? reflektion i ett plan: paritetstransformation P En partikel med spinn 1/2 (ex. elektronen) kan vara chiral : vänsterhänt ψ L högerhänt ψ R Pψ L/R = ψ R/L 3 / 23

Betasönderfall och Paritetssymmetrin T. D. Lee & C. N. Yang [1956]: P bevarad i QED och stark växelverkan, men inga kända resultat visar huruvida P bevarad i svag växelverkan. De föreslår flera olika eperiment för att undersöka frågan. Madam Wu [1957]: ett av Lee & Yangs experiment, studie av betasönderfall i Kobolt 60, visar att P ej bevarad i betasönderfall Med andra ord: det står klart att naturen skiljer på vänsterhänt och högerhänt, svag växelverkan bryter Paritetssymmetrin Nobelpris till Lee & Yang 1957 4 / 23

Betasönderfall och Paritetssymmetrin I kvantfältteori organiseras beräkningar m h a Feynmandiagram Till varje diagram svarar ett matematiskt uttryck Till Fermis 4-vertex finns i princip fem möjliga uttryck, Fermi antog helt enkelt ett av dessa, men detta bevarar P Marshak & Sudarshan [1957] (publicerat av Feynman & Gell-Mann [1958]) visade korrekt kombination av två uttryck: V A teori V A: endast vänsterhänta partiklar (högerhänta antipartiklar) deltar i betasönderfall 5 / 23

Neutrinon detektion K. C. Wang [1942]: föreslår använda elektroninfångning för att detektera neutriner p + ν e n + e + C. Cowan & F. Reines [1956]: använd neutriner producerade i kärnreaktor, låt dessa reagera med protoner i en vattentank via svag växelverkan för att producera neutroner och positroner, detektera fotoner som sänds ut då positronerna växelverkar med elektroner. Nobelpris 1995 (Reines) Senare: två ytterligare typer av neutriner ν e antogs först masslös, men sedan 1998 känt att alla neutriner har massa (dock liten) 6 / 23

Neutrinon detektion K. C. Wang [1942]: föreslår använda elektroninfångning för att detektera neutriner p + ν e n + e + C. Cowan & F. Reines [1956]: använd neutriner producerade i kärnreaktor, låt dessa reagera med protoner i en vattentank via svag växelverkan för att producera neutroner och positroner, detektera fotoner som sänds ut då positronerna växelverkar med elektroner. Nobelpris 1995 (Reines) Senare: två ytterligare typer av neutriner ν e antogs först masslös, men sedan 1998 känt att alla neutriner har massa (dock liten) 6 / 23

Kosmisk strålning I huvudsak protoner som träffar jorden Känd sedan 1912 (V. Hess, jonisering/höjd) Producerar lättare partiklar i kollisioner med molekyler i atmosfären Kan detektera exotiska partiklar vid jordytan 7 / 23

Molnkammaren Underkyld mättad ånga i en kammare Ångan joniseras av laddade partiklar, och kondenserar kring jonerna, lämnar spår efter partikeln Kammaren placerad i ett magnetfält, laddade partiklar rör sig i cirkulära banor radie r= mv q B Positronen (Anderson [1932]): 8 / 23

Nya partiklar i kosmisk strålning Anderson & Neddermeyer [1936]: ny partikel, varken elektron eller proton spåret för tunt för proton (spårvidden mått på hastigheten för given massa och radie) ej elektron/positron ty penetrerar lätt tjocka blyplattor kallades mesotron, numera myon (µ +, µ ) m µ 100MeV Rossi [1942]: medellivslängden t µ = 2,30±,17 10 6 s µ e + ν + ν I. Rabi: Who ordered that? Samma egenskaper som elektron/positron, men tyngre Massenheter: massa kan anges i enheter av energi m h a E = mc 2 elektronvolt: 1eV= 1,602 10 19 J 1,783 10 36 kg m e = 0,511MeV= 5,11 10 5 ev= 9,11 10 31 kg m p = 938MeV = 2000m e 9 / 23 C. Powell & G. Occhialini [1945]: π meson, eller pion

Nya partiklar i kosmisk strålning Anderson & Neddermeyer [1936]: ny partikel, varken elektron eller proton spåret för tunt för proton (spårvidden mått på hastigheten för given massa och radie) ej elektron/positron ty penetrerar lätt tjocka blyplattor kallades mesotron, numera myon (µ +, µ ) m µ 100MeV Rossi [1942]: medellivslängden t µ = 2,30±,17 10 6 s µ e + ν + ν C. Powell & G. Occhialini [1945]: π meson, eller pion mätningar på 3000 m.ö.h. i Pyreneerna detektor: fotografisk film, granskas i mikroskop m π 140MeV t π 2 10 6 s π µ + ν 9 / 23

Nya partiklar i kosmisk strålning Anderson & Neddermeyer [1936]: ny partikel, varken elektron eller proton spåret för tunt för proton (spårvidden mått på hastigheten för given massa och radie) ej elektron/positron ty penetrerar lätt tjocka blyplattor kallades mesotron, numera myon (µ +, µ ) m µ 100MeV Rossi [1942]: medellivslängden t µ = 2,30±,17 10 6 s µ e + ν + ν C. Powell & G. Occhialini [1945]: π meson, eller pion 9 / 23

Nya experiment Istället för kosmisk strålning: producera nya partiklar i acceleratorer [1950 ] Cyklotron (Lawrence [ 1930]), 500MeV Synkrotron ( 1950, 3.5TeV) Nya detektorer 10 / 23

Nya experiment Istället för kosmisk strålning: producera nya partiklar i acceleratorer [1950 ] Cyklotron (Lawrence [ 1930]), 500MeV Synkrotron ( 1950, 3.5TeV) Nya detektorer 10 / 23

Nya experiment Istället för kosmisk strålning: producera nya partiklar i acceleratorer [1950 ] Cyklotron (Lawrence [ 1930]), 500MeV Synkrotron ( 1950, 3.5TeV) Urpsrungligen fixed target, senare oftast kollisioner Nya detektorer 10 / 23

Nya experiment Istället för kosmisk strålning: producera nya partiklar i acceleratorer [1950 ] Cyklotron (Lawrence [ 1930]), 500MeV Synkrotron ( 1950, 3.5TeV) Nya detektorer bubbelkammare scintillatorer multiwire proportionalkammare Cerenkovräknare Kalorimetrar... 10 / 23

En explosion av nya partiklar Myriader av nya starkt växelverkande partiklar upptäcktes fram till början av 1960 talet kallades hadroner, vidare klassificerade som baryoner resp. mesoner ofta tunga och mycket kortlivade ingen uppenbar systematik Även ny svagt växelverkande partikel: myonneutrinon upptäcktes 1961 i ett acceleratorexperiment i Brookhaven (Lederman, Schwarz, Steinberger) π µ + ν µ Myonneutrinon gav upphov till gruppering i smak (flavour): elektronsmak (e, ν e ) myonsmak (µ, ν µ ) 11 / 23

Systematisering av hadroner M. Gell-Mann & Y. Ne eman [1961]: hadroner grupperar sig i oktetter & dekupletter med avseende på fenomenologiskt introducerade kvanttal; the eightfold way strangeness s ( särhet ) isospinn I 3 Innehåller alla då kända hadroner... mesoner med spinn 0 baryoner med spinn 1/2 12 / 23 baryoner med spinn 3/2

Systematisering av hadroner M. Gell-Mann & Y. Ne eman [1961]: hadroner grupperar sig i oktetter & dekupletter med avseende på fenomenologiskt introducerade kvanttal; the eightfold way strangeness s ( särhet ) isospinn I 3 Innehåller alla då kända hadroner...... men även en okänd: Ω baryoner med spinn 3/2 12 / 23

Systematisering av hadroner M. Gell-Mann & Y. Ne eman [1961]: hadroner grupperar sig i oktetter & dekupletter med avseende på fenomenologiskt introducerade kvanttal; the eightfold way strangeness s ( särhet ) isospinn I 3 Innehåller alla då kända hadroner...... men även en okänd: Ω Ω upptäcktes i ett experiment i Brookhaven 1963 stark bekräftelse på att Gell-Manns systematisering har med en underliggande struktur att göra, men vilken? 12 / 23

Kvarkmodellen Oktett & dekuplett strukturen tecken på en symmetri, s.k. SU(3) (3 3 unitära matriser) mesoner tillhör representationen 3 3 baryoner tillhör repreentationen 3 3 3 Gell Mann & G. Zweig [1964] hypotes: alla (då kända) hadroner uppbyggda av 3 partiklar & deras antipartiklar Zweig: aces Gell Mann: kvarkar (Three quarks for Muster Mark) kvark spinn laddning isospinn särhet u (upp) 1/2 +2/3 +1/2 0 d (ner) 1/2 1/3 1/2 0 s (sär) 1/2 1/3 0 1 Särhet = s s Isospinn = 1 2 ( u ū + d d) 13 / 23

Kvarkmodellen forts. Några mesoner meson uppbyggnad laddning π + u d +1 π ūd 1 π 0 uū d d 0 K + u s +1 K ūs 1 Några baryoner (nukleonerna) baryon uppbyggnad laddning p uud +1 n udd 0 14 / 23

Kvarkar och experiment Ingen fri kvark har någonsin observerats, hur kan vi se att de existerar? Djup inelastisk spridning : högenergetiska elektroner sprids mot protoner utfördes (först) i Stanford (SLAC) 67 73 djup : högenergetiska elektroner ser djupt in i protonen (hög upplösning) inelastisk : elektronen ger energi till delar inuti protonen resultat: protonen uppbyggd av punktformiga objekt Feynman: partoner (modernt: kvarkar & gluoner) Kvarkar alltid inneslutna i hadroner: kvarkinstängning (confinement) November 1974: Två experiment i Stanford & Brookhaven upptäckte en ny meson J/ψ, ny kvark c (charm), J/ψ = c c 1975: mesoner cū, c d med förväntade egenskaper 15 / 23

Kvarkar, leptoner och experiment Fermilab [1978]: b kvark (botten) Fermilab [1995]: t kvark (top) Stanford [1976]: τ lepton, lik e & µ men tyngre Fermilab [2000]: ν τ, τ neutrinon Tre generationer materiepartiklar, tyngre för var generation Leptoner Kvarkar elektron upp e neutrino ned myon strange µ neutrino charm tau topp τ neutrino botten 16 / 23

Kvarkar och färgladdning Kvarkar är fermioner med spinn 1/2, uppfyller Paulis uteslutningsprincip: Högst en fermion kan befinna sig i varje givet tillstånd, beskrivet av värdena på en fullständig uppsättning kvanttal Kom ihåg: i atomer kan två elektroner ha samma kvanttal (n, l, m l ), en med spinn upp (s z = +1/2) och en med spinn ner (s z = 1/2) Hur förklarar vi förekomsten av Ω = sss, där alla spinnen måste vara upp (eller ner)? Postulera ett nytt kvanttal med tre möjliga värden: färgkvanttalet varje kvark kan ha egenskapen r (röd), g (grön), eller b (blå) varje antikvark kan ha egenskapen r (antiröd), ḡ, eller b hadroner är färglösa mesoner är färglösa kombinationer av färg antifärg baryoner är kombinationer rgb eller rḡ b 17 / 23

Teorin för den starka växelverkan färgkraften Förhistoria: H. Yukawa föreslog 1935 en kvantfältteori där stark växelverkan överförs med en partikel med egenskaper som π + fungerar bra som effektiv teori för kraften mellan p och n kan inte vara fundamental ty p och n uppbyggda av kvarkar M. Y. Han & Y. Nambu [1965]: föreslår en kvantfältteori likartad QED, men där det finns 8 st partiklar som förmedlar färgkraften, gluoner (masslösa) en partikel A f,ḡ för varje färgpar f, g, sådana att A r r + A gḡ + A b b = 0 i likhet med QED beskrivs växelverkan i termer av en symmetri, s.k. SU(3) gaugesymmetri Teorin kallas QCD (quantum chromo dynamics, kvantkromodynamik) Länge verkar QCD inte lämpad att beskriva hadroner D. Gross & F. Wilczek, D. Politzer [1973]: QCD är asymptotiskt fri Etablerar QCD som teorin för stark växelverkan; Gross, 18 / 23 Wilczek, Politzer Nobelpris 2004

Teorin för den starka växelverkan färgkraften Förhistoria: H. Yukawa föreslog 1935 en kvantfältteori där stark växelverkan överförs med en partikel med egenskaper som π + fungerar bra som effektiv teori för kraften mellan p och n kan inte vara fundamental ty p och n uppbyggda av kvarkar M. Y. Han & Y. Nambu [1965]: föreslår en kvantfältteori likartad QED, men där det finns 8 st partiklar som förmedlar färgkraften, gluoner (masslösa) Teorin kallas QCD (quantum chromo dynamics, kvantkromodynamik) Länge verkar QCD inte lämpad att beskriva hadroner D. Gross & F. Wilczek, D. Politzer [1973]: QCD är asymptotiskt fri styrkan på växelverkan minskar med avståndet på riktigt små avstånd beter sig kvarkar som fria partiklar möjligt göra beräkningar i regimen för djup inelastisk spridning god överensstämmelse med experiment 18 / 23 Etablerar QCD som teorin för stark växelverkan; Gross,

Teorin för den starka växelverkan färgkraften Förhistoria: H. Yukawa föreslog 1935 en kvantfältteori där stark växelverkan överförs med en partikel med egenskaper som π + fungerar bra som effektiv teori för kraften mellan p och n kan inte vara fundamental ty p och n uppbyggda av kvarkar M. Y. Han & Y. Nambu [1965]: föreslår en kvantfältteori likartad QED, men där det finns 8 st partiklar som förmedlar färgkraften, gluoner (masslösa) Teorin kallas QCD (quantum chromo dynamics, kvantkromodynamik) Länge verkar QCD inte lämpad att beskriva hadroner D. Gross & F. Wilczek, D. Politzer [1973]: QCD är asymptotiskt fri Etablerar QCD som teorin för stark växelverkan; Gross, Wilczek, Politzer Nobelpris 2004 18 / 23

Förening av elektromagnetisk och svag växelverkan V A teorin för svag växelverkan lider av problem med då man försöker öka noggrannheten i förutsägelserna (den är icke renormerbar ) Insågs tidigt att svag växelverkan antagligen förmedlas med massiva partiklar, men ingen bra teori formulerades S. Glashow [1963]: föreslår att elektromagnetiska & svaga växelverkan är en och samma växelverkan vid tillräckligt höga energier, elektrosvaga växelverkan vid höga energier (små avstånd) beskrivs elektrosvaga växelverkan av kvantfältteori med SU(2) U(1) gaugesymmetri, 4 st. masslösa kraftpartiklar vid låga energier är symmetrin bruten, vilket ger massa åt 3 av kraftpartiklarna, W ±, Z 0, medan fotonen fortfarande masslös A. Salam & S. Weinberg [1967]: mekanism för elektrosvagt 19 symmetribrott / 23

Förening av elektromagnetisk och svag växelverkan V A teorin för svag växelverkan lider av problem med S. Glashow [1963]: föreslår att elektromagnetiska & svaga växelverkan är en och samma växelverkan vid tillräckligt höga energier, elektrosvaga växelverkan A. Salam & S. Weinberg [1967]: mekanism för elektrosvagt symmetribrott symmetribrott via Higgs mekanismen förutsäger massorna hos W ±, Z 0 förutsäger ny partikel: Higgsbosonen Delvis verifierad 1973, Nobelpris 1979 t Hooft & Veltman [1972]: matematisk konsistens, Nobelpris 1999 Precisionsmätningar på CERN 1979 1983 19 / 23

Förening av elektromagnetisk och svag växelverkan V A teorin för svag växelverkan lider av problem med S. Glashow [1963]: föreslår att elektromagnetiska & svaga växelverkan är en och samma växelverkan vid tillräckligt höga energier, elektrosvaga växelverkan A. Salam & S. Weinberg [1967]: mekanism för elektrosvagt symmetribrott Delvis verifierad 1973, Nobelpris 1979 t Hooft & Veltman [1972]: matematisk konsistens, Nobelpris 1999 Precisionsmätningar på CERN 1979 1983 19 / 23

Elektrosvag växelverkan forts. 4 Fermiteorin för betasönderfall modifieras enligt n p ν e e Higgsbosonen fortfarande ej observerad 20 / 23

Symmetribrott Spontant symmetribrott: en ekvation har en viss symmetri (invarians), men lösningarna till ekvationen visar inte samma symmetri ekvationen x 2 = a invariant under operationen x x lösningarna x = ± a ej invarianta under x x (om a 0) mängden lösningar { a, a} dock invariant 21 / 23

Symmetribrott Spontant symmetribrott: en ekvation har en viss symmetri (invarians), men lösningarna till ekvationen visar inte samma symmetri Mexikanska hatt potentialen rotationssymmetrisk säg horisontalplanet spänns av φ C vertikalaxeln ger energin E( φ ) botten av brättet minimerar energin varje φ som minimerar energin bryter rotationssymmetrin I Higgsmodellen: φ är Higgsfältet vakuumtillståndet minimerar energin massan hos Higgsfältet krökningen på E( φ ) massan hos φ genererar massa hos partiklar som växelverkar med φ 21 / 23

Lite mer om P och andra diskreta symmetrier Naturen skiljer på vänsterhänthet och högerhänthet : P ej bevarad svag växelverkan sker via vänsterhänta leptoner & högerhänta antileptoner C: laddningskonjugering, byter partiklar mot deras antipartiklar C ändrar ej chiralitet C byter alltså vänsterhänt lepton mot vänsterhänt antilepton... svag växelverkan bryter därför även C symmetrin, dvs symmetrin mellan partiklar och antipartiklar CP byter vänsterhänta leptoner mot högerhänta antileptoner, är denna bevarad? elektromagnetism & stark växelverkan bevarar CP J. Cronin & V. Fitch [1964]: svag växelverkan bevarar inte CP, specifikt sönderfallet för den neutrala K mesonen 22 / 23

Lite mer om P och andra diskreta symmetrier Naturen skiljer på vänsterhänthet och högerhänthet : P ej bevarad C: laddningskonjugering, byter partiklar mot deras antipartiklar CP byter vänsterhänta leptoner mot högerhänta antileptoner, är denna bevarad? T : tidsreversion (kör filmen baklänges), bryts av svag växelverkan CPT är alltid symmetri i relativistisk kvantfältteori, speciellt i standardmodellen CPT teoremet, visat av Schwinger 1951, Lüders & Pauli 1954, Bell 1955, Jost 19??,... 22 / 23

Standardmodellen sammanfattad Det finns tre generationer leptoner och kvarkar Leptoner elektron e neutrino myon µ neutrino tau τ neutrino Kvarkar upp ned strange charm topp botten Växelverkan sker via förmedling av bosoner eletrosvag växelverkan: γ (masslös), W ±, Z 0 (massiva) stark växelverkan: 8 st gluoner (masslösa) Massorna hos W ±, Z 0, leptoner och kvarkar ges av Higgsmekanismen vid spontant symmetribrott Higgsbosonen ej ännu observerad svag växelverkan är chiral C, P, T, CP ej bevarade i standardmodellen 23 / 23

Standardmodellen sammanfattad Det finns tre generationer leptoner och kvarkar Leptoner elektron e neutrino myon µ neutrino tau τ neutrino Kvarkar upp ned strange charm topp botten Växelverkan sker via förmedling av bosoner standardmodellen är en relativistiskt invariant kvantfältteori växelverkan beskrivs av en SU(3) SU(2) L U(1) gaugesymmetri Massorna hos W ±, Z 0, leptoner och kvarkar ges av Higgsmekanismen vid spontant symmetribrott Higgsbosonen ej ännu observerad 23 / 23