Podsumowanie
Fizyka I (Mechanika)
Wykład XIV:
• Cz ˛ astki elementarne
• Ewolucja Wszech´swiata
• Ciemna materia
• Informacje o egzaminie
Czym zajmuje si ˛e fizyka ?
Staramy si ˛e zrozumie´c zjawiska zachodz ˛ ace na naj- mniejszych i najwi ˛ekszych odległo´sciach...
Szukamy praw opisuj ˛ acych zachowanie najmniejszych cz ˛ astek elementarnych oraz ewolucj ˛e wszech´swiata...
masa [kg]
rozmiar [m]
Czlowiek pierwotniaki wirusy
Slonce Ziemia
Galaktyka Wszechswiat
atomy proton
↓ elektron 10-20
10-10 1 1010 1020 1030
10-30 10-20 10-10 1 1010 1020 1030 1040 1050 1060
Co mo˙ze ł ˛ aczy´c procesy zachodz ˛ ace na tak ró˙znych skalach?
Fizyka cz ˛ astek
Budowa materii
kwark proton j ˛ adro atom cz ˛ asteczka kryształ
elektron neutron atomowe
Fizyka cz ˛ astek
Pokaz: komora mgłowa (Komora Wilsona)
Tu˙z nad dnem komory pary alkoholu wchodz ˛ a w stan przechłodzenia. Gdy przez komor ˛e przejdzie naładowana cz ˛ astka, na powstałych jonach powietrza nast ˛epuje kondensacja par alkoholu i w rezultacie obserwujemy smug ˛e mgły układaj ˛ ac ˛ a si ˛e wzdłu˙z toru cz ˛ astki.
Obserwacj ˛e mgły ułatwia wła´sciwe o´swietlenie.
Fizyka cz ˛ astek
Model Standardowy
• cz ˛ astki materii kwarki i leptony
• no´sniki oddziaływa ´n γ , g, W ± i Z ◦
• bozon Higgsa konieczny dla
spójno´sci modelu
“Nadaje masy”
wszystkim cz ˛ astkom
Dlaczego trzy pokolenia ?
Czy jest to pełny obraz?
Czy mo˙ze czego´s wci ˛ a˙z brakuje?
Fizyka cz ˛ astek
Zasady zachowania
Relatywistyczne wyra˙zenie na p ˛ed cz ˛ astki:
~
p = m c γ ~ β = m γ ~ V β = ~ V ~ c Relatywistyczne wyra˙zenia na energi ˛e cz ˛ astki:
energia kinety zna
E k = m c 2 ( γ − 1)
energia spo zynkowa
E 0 = m c 2
energia aªkowita
E = m c 2 γ Dla dowolnego izolowanego układu obowi ˛ azuj ˛ a zawsze:
X i
E i = X
i
γ i m i c 2 = const
zasada za howania energiiX i
~
p i = X
i
γ i · m i V ~ i = const
zasada za howania pduNie jest zachowana masa (energia spoczynkowa) !!!
Fizyka cz ˛ astek
Energia dost ˛epna
Mas ˛e niezmiennicz ˛ a zderzaj ˛ acych si ˛e cz ˛ astek
√ s okre´slamy te˙z jako energi ˛e dost ˛epn ˛ a w układzie ´srodka masy.
Energia dost ˛epna jest to cz ˛e´s´c energii kinety- cznej, która mo˙ze zosta´c zamieniona na mas ˛e (energi ˛e spoczynkow ˛ a) nowych cz ˛ astek.
√ s =
v u u u t
X
i
E i
2
−
X
i
~ p i
2
Przykład
Aby wyprodukowa´c antyproton w reakcji p p → p p p ¯ p
musimy mie´c
√ s ≥ 4 m p
⇐ liczymy wszystkie cz ˛ astki
w stanie ko ´ncowym, tak˙ze
cz ˛ astki pierwotne
Fizyka cz ˛ astek
Okre´slon ˛ a warto´s´c energii dost ˛epnej √
s mo˙zemy uzyska´c na rózne sposoby:
Zderzenia z tarcz ˛ a
Cz ˛ astka “pocisk” o energii E uderza w nieruchom ˛ a tarcz ˛e:
s = 2 E 1 m 2 + m 2 1 + m 2 2 w granicy E 1 ≫ m 1 ∼ m 2
√ s ≈ q 2 E 1 m 2
Wi ˛ azki przeciwbie˙zne
Zderzenia wi ˛ azek o energiach E 1 i E 2 : s = 2 E 1 E 2 + 2 p 1 p 2 + m 2 1 + m 2 2 w granicy E 1 ∼ E 2 ≫ m 1 ∼ m 2
√ s ≈ q 4 E 1 E 2
Du˙zo wy˙zsze warto ´sci !!!
Przykład
Wi ˛ azka protonów o energii 50 GeV ( ≈ 50 m p )
• na tarczy wodorowej (protony): √
s ≈ q 2Em p ≈ 10GeV ≈ 10 m p
• dwie wi ˛ azki przeciwbie˙zne: √
s ≈ √
4E · E = 2 E = 100GeV ≈ 100 m p
Fizyka cz ˛ astek
Produkcja nowych cz ˛ astek
Aby w zderzeniu dwóch cz ˛ astek powstały dwie lub wi ˛ecej nowych cz ˛ astek, np:
e + e − → W + W −
masa niezmiennicza zderzaj ˛ acych si ˛e cz ˛ astek musi by´c wi ˛eksza lub równa sumie mas pro- dukowanych cz ˛ astek:
√ s ≥ X
i
m i
Mierzony przekrój czynny e + e − → W + W − ⇒
√ s ≥ 2 m W ≈ 160 GeV
0 5 10 15 20
160 170 180 190 200 210
Ecm[GeV]
σWW [pb]
LEP Preliminary
08/07/2001
no ZWW vertex (Gentle 2.1) only νe exchange (Gentle 2.1) RacoonWW / YFSWW 1.14