v ýlet do femtosveta alebo z čoho sa skladá hmota?

Turnaj mladých fyzikov 1

Výlet do femtosvetaalebo

Z čoho sa skladá hmota?

Štefan OlejníkFyzikálny ústav SAV

Bratislava

27.10.2010

Turnaj mladých fyzikov 227.10.2010

Prečo sa snažíme spoznať, z čoho sa skladá hmota?

Odveká túžba po poznaní: Empedokles (5. stor. p.n.l.): zem, vzduch, oheň, voda, Leukippos, Demokritos (5.–4. stor. p.n.l.): hypotéza o atómoch.

Súčasť ľudskej kultúry. Dozvedáme sa o raných štádiách vesmíru. Prirodzená zvedavosť.

Poznanie vlastností hmoty nám umožňuje ich využívať: pre dobré i zlé ciele. Objavy mimoriadneho ekonomic-kého a praktického významu. Technický pokrok a stimulácia priemyselného rozvoja: experi-menty si

vyžadujú špičkové technológie, prístroje, počítače. Nečakané produkty: WWW.

Turnaj mladých fyzikov27.10.2010


Objav jadra Ernestom Rutherfordom v roku 1911

Objav protónu (E. Rutherford, 1919) a neutrónu (J. Chadwick, 1932)

Predstava o kvarkoch(Gell-Mann, Zweig, 1964)a jej exp. potvrdenie(SLAC, 1969)

Grécki atomisti: predstavao atómoch ako nedeliteľných stavebných kameňoch hmoty.

Objav elektrónu (Thomson,1897)


Dĺžkové škály atómové, jadrové a subjadrové


Svet okolo nás vs. femtosvet

Svet našej každodennej skúsenosti: sa riadi zákonmi klasickej fyziky – Newtonovými zákonmi a Maxwellovou teóriu

elektro-magnetizmu, je nerelativistický – rýchlosti telies sú zanedbateľné voči rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI majú prirodzenú veľkosť.

Femtosvet: je kvantový, riadi sa zákonmi kvantovej mechaniky, viaceré veličiny sú

kvantované, je relativistický, urýchlené elementárne častice sa pohybujú rýchlosťami

blízkymi k rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI sú preň nevhodné / nepraktické.


Jednotky


Spin

Moment hybnosti: Jednotkou momentu hybnosti je J.s.

Spin je vnútorný moment hyb-nosti častíc. Nemá klasické vysvetlenie! Vhodnou jednotkou je

~ =1.055 £ 10-34 J.s . Spin je kvantovaný a môže sa rovnať iba celo- (0, 1, 2, ...) a poločíselným

(1/2, 3/2, 5/2, ...) násobkom ~. Celočíselný spin majú bozóny. Poločíselný spin majú fermióny.


A

BC

Ktorá minca je ťažšia?


Experimenty vo fyzike častíc: Rozptyl


Experimenty vo fyzike častíc: Nepružné zrážky a anihilácia


Čo potrebujeme na skúmanie vlastností častíc?

urýchľovač, terčík, detektory, teória (predstava, s ktorou porovnávame výsledok experimentu).


Trocha histórie

Do 60. rokov 20. storočia: „fundamentálne“ častice utešene pribúdajú... Od 60. rokov 20. storočia: poriadok víťazí nad chaosom.


„Mendelejevova“ tabuľka elementárnych častíc


Základné sily (interakcie) medzi časticami

Gravitačná interakcia: Pôsobí na všetky hmotné telesá, vo svete elementárnych častíc pri súčasných energiách nehrá dôležitú úlohu.

Elektromagnetická interakcia: V atómovej fyzike určuje vlastnosti elektrónového obalu atómov, viaže atómy do molekúl, závisia od nej vlastnosti tuhých látok, kvapalín a plynov.

Silná interakcia: Viaže k sebe neutróny a protóny v jadre, prekonáva elektromagnetické odpudzovanie medzi protónmi. Jadrová silná interakcia je dôsledkom interakcií medzi kvarkami.

Slabá interakcia: Zodpovedá za rádioaktívne tzv. -rozpady jadier, zapríčiňuje rozpad neutrónu, ako aj niektorých ťažkých kvarkov. Zohráva dôležitú úlohu aj v jadrových reakciách vo vnútri hviezd (napr. aj Slnka).


Nestačia nám tri častice?

ne

e

p

p

?


Dnešný zoznam stavebných blokov hmoty


A čo ich interakcie?


Prenášače interakcií


Veľké nezodpovedané záhady fyziky častíc

Kde je Higgsov bozón? (Higgsov bozón, novinármi ospevovaná „božská častica“, je posledným chýbajúcim článkom dnešnej teórie; má mať spin 0 a je zdrojom hmotností fundamentálnych častíc.)

Prečo existujú práve tri generácie leptónov a kvarkov? Odkiaľ sa berú také rôzne hmotnosti častíc? Sú všetky interakcie prejavom tej istej sily, je možné vymyslieť jednotnú „teóriu

všetkého“?

Existuje v prírode supersymetria (ktorá každému fermiónu priraďuje bozón s podobnými vlastnosťami a naopak)?

Sú všetky častice iba excitácie superstrún?

Prečo sa náš vesmír skladá prevažne z hmoty, kam sa podela antihmota? Aká bola úloha neutrín vo vývoji vesmíru? Je náš časopriestor naozaj štvorrozmerný alebo existujú „skryté“ dimenzie? Čo je tmavá hmota vo vesmíre a odkiaľ sa berie tmavá energia?


LHC – najväčší experimentálny komplex na svete


Čo by ste si mohli skúsiť zapamätať?

Svet elementárnych častíc (femtosvet) je kvantový a relativistický. Ak nechceme písať veľa núl, musíme si zvyknúť na iné jednotky. V experimentoch sa častice prevažne zrážajú a pritom vznikajú nové;

energia sa premieňa na hmotu a naopak. V prírode existujú štyri základné sily. Základné stavebné častice hmoty sú fermióny a existujú 3 ich generácie;

každá generácia obsahuje po 2 leptóny a 2 kvarky. Interakcie medzi časticami sprostredkujú bozóny.

Aj keď javom vo fyzike elementárnych častíc pomerne dobre rozumieme, ostáva veľa nezodpovedaných fundamentálnych otázok.

Časticová fyzika sa uvedením LHC do prevádzky dostáva na prah fascinujúceho nového obdobia – nové objavy sú za dverami!

Pre niekoho z vás je možno rezervované miesto na tabuli slávy.


Tabuľa slávy – Nobelove ceny súvisiace s časticami

20?? - ??? 2008 - Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman 1995 - Martin L. Perl, Frederick Reines 1992 - Georges Charpak 1988 - Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger 1984 - Carlo Rubbia, Simon van der Meer 1982 - Kenneth G. Wilson 1980 - James Cronin, Val Fitch 1979 - Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1976 - Burton Richter, Samuel C.C. Ting 1969 - Murray Gell-Mann 1968 - Luis Alvarez 1965 - Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman 1963 - Eugene Wigner 1961 - Robert Hofstadter

1960 - Donald A. Glaser 1959 - Emilio Segrè, Owen Chamberlain 1957 - Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee 1955 - Willis E. Lamb, Polykarp Kusch 1951 - John Cockcroft, Ernest T.S. Walton 1950 - Cecil Powell 1949 - Hideki Yukawa 1948 - Patrick M.S. Blackett 1945 - Wolfgang Pauli 1943 - Otto Stern 1939 - Ernest Lawrence 1936 - Victor F. Hess, Carl D. Anderson 1935 - James Chadwick 1933 - Erwin Schrödinger, Paul A.M. Dirac 1932 - Werner Heisenberg 1929 - Louis de Broglie 1927 - Arthur H. Compton, C.T.R. Wilson 1923 - Robert A. Millikan 1922 - Niels Bohr 1921 - Albert Einstein 1918 - Max Planck


Ďakujem za pozornosť a trpezlivosť!

V prednáške boli použité obrázky z webovských stránok niektorých laboratórií (CERN, DESY, atď.) a z popularizačných vystúpení viacerých autorov o fyzike elementárnych častíc (napr. dr. J. Dolejšího z MFF UK a dr. J. Rameša z FzÚ AV ČR v Prahe). Všetkým – i anonymným – autorom patrí moja vďaka.

Text prednášky je možné nájsť na webe: http://dcps.sav.sk/olejnik/seminars/s271010.ppsx.

Za podporu vďačím Vedeckej grantovej agentúre MŠ SR a SAV (projekt VEGA č. 2/0070/09), Európskemu fondu regionálneho rozvoja v rámci Operačného programu Veda a výskum (projekt CE QUTE ITMS č. 26240120009) a v rámci Centra excelentnosti SAV QUTE.

27.10.2010 Turnaj mladých fyzikov 29

v ýlet do femtosveta alebo z čoho sa skladá hmota?

Documents