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