Föreläsning 12 Partikelfysik: Del 1 Vad är de grndläggande delarna av material? Hr växelverkar de med varandra? Partikelkolliderare Kvarkar Gloner
Vi är nästan i sltet av historien Med den här krsen har vi nästan nått gränsen av vår knskap om materials strktr. (Vi tror att) kvarkar är de minsta partiklarna i natren
Hr kan vi pptäcka sbatomiska partiklar? Vi vet att protonen, netronen, elektronen och positronen existerar. Det finns flera partiklar. Hr kan vi pptäcka dem? E = mc 2 Använd. Om vi kolliderar partiklar med tillräckligt hög energi så kan vi konvertera kollisionsenergin till massiva sbatomiska partiklar. Vi använder kolliderande partikelstrålar som accelereras till höga energier.
Partikelaccelerator Synkrotron Accelerera en stråle av partiklar med laddning q i en ring. r F v F = r 2 mv = r mv = q B qvb (12.2) (12.1) Partikelstrålen böjer av på grnd av elektromagneter. I takt med att partiklarnas hastighet ökar ökar magnetfältet för att ppehålla en konstantradie. Hastigheten närmar sig ljsets hastighet.
En synkotron har ett problem! Man kan inte öka partikelns energi kontinerligt eftersom en accelererad laddad partikel tstrålar synkrotronstrålning och förlorar energi. Acceleration = v 2 r Använd en stor radie (ett par km) för att minska energiförlsten genom strålning!
Aktella och framtida acceleratorer PEP-II e+e- 10 GeV c.o.m. www.slac.stanford. ed!" #
Animering av accelerationen och kollisionen av partiklar på LEP http://www.hep.cl.ac.k/masterclass/acc_sim2/simlator.html
Att ndersöka protonen För att ndersöka ett litet föremål använder vi en stråle med korta våglängder. Protonens radie 10-15 m. HERA: Elektroner och protoner kolliderar genom att byta en foton. Fotonen ser inne i protonen för att pptäcka sbstrktrer e e γ 10 18 λ 10 15 γ m p 10 15 m
HERA Protoner med energin 920 GeV kolliderar med elektroner med energin 27.5 GeV. Partiklarna accelereras i en 6.3km nderjordisk ring med periferin 27km nder Hambrg i DESY laboratoriet. 10 13 protoner och elektroner cirklerar varje seknd. H1 P e H1 experiment mäter kollisionen med en sofistikerad detektor.
H1 Detektor En typisk detektor! Det krävs många olika komponenter för att mäta egenskaperna av partiklarna som prodceras i kollisionen.
En ep växelverkan i HERA e e H1 Detector p Object scatteröd ot of the proton. En elektron växelverkar med en proton och rekyler på en stor vinkel! (Nvarande Rtherfordspridning!) Elektronen växelverkar med protonens sbstrktr (kvarkar!)
Nkleons inre strktr En proton och en netron består av mindre sbatomiska partiklar (kvarkar). ppkvark : laddning 2/3 e nerkvark : laddning 1/3 e proton: 2 ppkvarkar + 1 nerkvark netron: 1 ppkvark + 2 nerkvarkar
Den fllständiga kvarkfamiljen! Flavor Massa (GeV/c 2 ) Elektrisk laddning (e) ppkvark 0.004 +2/3 d nerkvark 0.08-1/3 c charmkvark 1.5 +2/3 s särkvark 0.15-1/3 t toppkvark 176 +2/3 b bottenkvark 4.7-1/3 Baryon nmmer 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 Det finns sex kvarkar (+6 antikvarkar med den motsatta laddningen och baryonnmret men med samma massa.) Det synliga materialet (netroner och protoner) består av bara de pp- och ner-kvarkarna.
Fråga Använd massorna av pp- och ner-kvarkarna och beräkna protonens massa Jämför ditt värde med protonens massa som vi mäter. Förklara skillnaden!
Fråga Vilket grndämne har en massa som är närmast toppkvarkans massa?
Gloner Kvarkar binds ihop i protonen genom att byta gloner. d Glon Massa=0 Laddning=0 Heisenberg s osäkerhets princip Et > h tillåter partiklarn a att existera nder en kort tid t. Gloner är ansvariga för den starka kraften.
Hadroner Kvarkar kan befinna sig i kvark-antikvark par (mesoner) eller ett system av 3 kvarkar (baryons). Mesoner och baryoner kallas hadrons och växelverkar via den starka kraften. Meson (t.ex. pionen π) d d π 0 π + π Baryon (t.ex. protonen) d p
Applet som visar den starka kraften. Det är omöjligt att observera en fri kvark!
Färg Den elektromagnetiska kraften äger rm på grnd av partiklarnas elektriska laddningar. Kvarkar bär en laddning som kallas färg. Färgen är ansvarig för den starka kraften. En kvark kan ha ett av 3 olika slags färger: röd blå grön Natren avskyr naken färg. Vi ser bara partiklar som är vita.
En meson består av ett färg-antifärg par=vit röd - anti-röd blå - anti-blå grön - antigrön π 0 π 0 π 0 En baryon är ett system av en röd, blå, och en grön kvark=vit röd Blå d grön p
Glonen bär en färg, antifärg kombination t.ex. röd, antiblå. Ett glontbyte mellan kvarkar orsakar en färgförändring hos kvarkarna. T.ex. röd anti-röd Blå blå röd anti-blå anti-röd anti-blå