I. WSTĘP Wstęp do Fizyki Jądra Atomowego i cząstek elementarnych

Wstęp do Fizyki Jądra Atomowego i cząstek elementarnych

I. WSTĘP

Jan Królikowski

krolikow@fuw.edu.pl, pok. 123 w Pawilonie IPJ

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek 1 Elementarnych

Historia dziedziny

Historia fizyki jądrowej zaczyna się od

doświadczenia Rutherforda- Geigera i Marsdena w 1911

CERN 1991

Struktura wykładu będzie ahistoryczna

Kanwą splatającą materiał będzie opis ewolucji Wszechświata w modelu

Wielkiego Wybuchu

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek

Elementarnych 3

Gdzie jesteśmy na drodze do

Wielkiego Wybuchu

Co wiadomo o składzie Wszechświata?

•Model Standardowy i jego rozszerzenia opisują ok. 5% gęstości energii

Wszechświata.

•Być może odkryjemy (w LHC?) składniki Ciemniej Materii (Cząstki

SUperSYmetryczne?).

•Ciemna Energia, odpowiedzialna za przyspieszanie tempa ekspansji

Wszechświata, pozostaje na razie niezrozumiała.

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek

Elementarnych 5

Universe 380 000 years old Universe now

Gdzie jest ciemna materia?

Materia barionowa ~4-6%

Ciemna Materia ~23%

Ciemna Energia ~70%

Struktura materii w

Modelu Standardowym:

Cząstki-fermiony (spin=1/2) Nośniki- bozony (spin=1 lub2) oraz

Cząstki Higgsa (spin=0)

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek

Elementarnych 7

Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!

Materia Nośniki

oddziaływao

Mechanizm nadawania

4 oddziaływania fundamentalne

• Grawitacyjne, nie znamy teorii

kwantowej. Ważne dla energii ~masy Plancka 10

GeV.

• Elektromagnetyczne

• Słabe

• Silne- chromodynamika kwantowa i uwięzienie kwarków

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek 9 Elementarnych

Elektrosłabe

}

TEORIE KWANTOWE

Czy oddziaływania unifikują się przy wysokich energiach?

Stałe sprzężenia oddziaływao fundamentalnych

Poza Model Standardowy

•Rozbudowa teorii poza MS prowadzi zawsze do nowych ciężkich cząstek o masach w

obszarze dostępnym eksperymentom przy LHC. Teoretycy zbudowali wiele modeli rozszerzania MS.

•Te nowe cząstki chcemy znaleźć. To drugi cel eksperymentów przy LHC.

•Ich produkcja jest, niestety, niewielka.

•W LHC oczekujemy częstości ich produkcji O(1  Hz-0.1 Hz) w porównaniu z częstością zderzeń pp 10

Hz!

•Krytyczna jest więc selekcja kandydatów.

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek Elementarnych 11

„Nowa Fizyka”

jest rzadka nawet w

LHC

Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 13

10⁹ lat

Skale odległości i energii we Wszechświecie

Astronomia (teleskop) Fizyka cząstek

(akcelerator)

Efekt Dopplera

•Efekt Dopplera jest to zmiana częstości (długości) fali związana z ruchem źródła względem obserwatora.

–Przykład z życia codziennego: gwizd lokomotywy, która mija stację. Podczas zbliżania się lokomotywy do stacji częstość rośnie, podczas oddalania się częstość maleje.

•Dla promieniowania elektromagnetycznego (fale radiowe, światło, promienie X...) zmiana częstości zależy od stosunku  prędkości źródła względem obserwatora v do prędkości światła c:  = v /c

ą ź ł

dla oddalaj cych się rod a i obserwatora

' b

n n

b

 

 1

1 Dla prom. e-m =c

Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 15

Wszechświat – podróż w

czasie do Wielkiego Wybuchu

Prawo Hubbla – jedno z największych odkryć XX w.

•Pod koniec lat 1920 Edwin Hubble, astronom z Mt. Wilson

Observatory po raz pierwszy zmierzył odległości do galaktyk (które wtedy nazywano jeszcze często mgławicami). Posłużył się „świecami standardowymi” – gwiazdami o znanej jasności absolutnej, którymi były gwiazdy zmienne cefeidy (jasność c. jest znaną funkcją okresu ich zmienności).

•Wykorzystując efekt Dopplera EH zmierzył też prędkości galaktyk.

Okazało się, że galaktyki rozbiegają się z prędkościami v proporcjonalnymi do odległości między nimi r:

•Obecnie stała Hubbla H wynosi h ·100 km/s/Mpc, gdzie h=0.650.15

v  H r

Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 17

Standardowy Model Kosmologiczny to Model Wielkiego Wybuchu (WW)

•Około 15 mld. (1.510¹⁰ lat czyli 1.510¹⁷ s) lat temu nastąpił WW – proces zachodzący w bardzo wysokiej temperaturze.

– Po upływie 0.001 s od WW temperatura Wszechświata wynosiła ok.. 10¹¹K.

•Na początku materia i energia pól były w równowadze: cząstki anihilowały z antycząstkami produkując kwanty pola; kwanty pola produkowały kreowały cząstki (materię). W składzie

Wszechświata dominowały fotony (promieniowanie) i neutrina.

•Wszechświat rozszerzał się, a temperatura gazu cząstek w nim spadała (ich średnie energie malały). Po ok. 3 min zaczęły

powstawać protony, neutrony i jądra helu oraz elektrony i pozytony.

•Pierwsze atomy powstały po kilkuset tysiącach lat od WW, gdy T~3000K. Znikły swobodne elektrony, na których dotychczas

rozpraszało się promieniowanie. Został zerwany kontakt termiczny promieniowania z materią; promieniowanie mogło rozszerzać się niezależnie od materii. Obecnie temperatura promieniowania wynosi ok. 2.7 K.

Kosmiczne Promieniowanie Tła

materii w T3000K

promieniowanie stawało się coraz bardziej długofalowe – jego temperatura spadała.

•Obecnie KPT ma

temperaturę ok.. 2.7 K, jest izotropowe, a jego widmo jest widmem Plancka ciała

doskonale czarnego.

•Niewielkie fluktuacje

gęstości promieniowania są rzędu 10^-5 (10 K) i

dostarczają ważnych

informacji o składzie ciemnej

Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 19

Jednorodny rozszerzający się Wszechświat po WW

zależy od jednego parametru:

gęstości krytycznej materii (energii) WYBÓR

Zgodnie z równaniami Einsteina bez 

Odległość między galaktykami

Czas od WW

W. otwarty W. zamknięty

= /

•W OTW można obliczyć wielkość 

. Jest ona powiązana ze stałą Hubbla – tempem ekspansji Wszechświata:

•Obecne tempo ekspansji Wszechświata wskazuje na to , że  1.

•Tymczasem z pomiarów prędkości rotacji galaktyk i gromad galaktyk wynika, że gęstość obserwowalnej materii jest za mała.

•Gdzie się podziała „reszta” gęstości energii?

 =  /  _kryt

3 6

2

10 8 3

3 cz./cm

G H

N kryt

 

 





Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 21

Krzywe rotacyjne galaktyk

•Nasycanie się zależności prędkości od odległości od centrum galaktyki świadczy o tym, że gęstość energii wewnątrz galaktyki jest stała, a nie skupiona w środku.

Fale akustyczne w gazie fotonowym we wczesnym

Wszechświecie

•Niejednorodności KPT

•powstały we wczesnych

•stadiach ekspansji – były to

•fale akustyczne we wczesnym

•Wszechświecie (jako rezonatorze

•Helmholtza)

 













cos , )

(

l l

l m

Ym

C l

pl

T 4 1

Problem Ciemnej Energii (DE)

Tempo rozszerzania się Wszechświata

rośnie z czasem-- na skalę kosmiczną działa siła odpychajaca o nieznanej

naturze (Ciemna Energia DE)

Wstęp do Fizyki Jądra i Cząstek

Elementarnych 23

 _ vs  _materii

Jan Królikowski, Instytut Fizyki

Doświadczalnej UW 25

10⁹ lat

Skale odległości i energii we Wszechświecie

Astronomia (teleskop) Fizyka cząstek

(akcelerator)