Részecskefizika Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád

Segédletek Részecskefizika jegyzet Részecskefizika jegyzet Lássuk a részecskéket! (PowerPoint bemutató ) Lássuk a részecskéket! (PowerPoint bemutató ) CERN sajátkezűleg honlap CERN sajátkezűleg honlap további külső honlapcímek további külső honlapcímek hu.wikipedia.org/wiki/Részecskefizika hu.wikipedia.org/wiki/Részecskefizika neutrínó, gyorsító, Nobel-díjak, Ősrobbanás… neutrínó, gyorsító, Nobel-díjak, Ősrobbanás… Lederman: Az isteni a-tom (fizika, részecskefizika) Lederman: Az isteni a-tom (fizika, részecskefizika) Brian Green: Az elegáns univerzum Brian Green: Az elegáns univerzum

Az anyag felépítése

Az anyag részecskékből áll („részecskefizika”) Válasz: Csak 84! Ha egy almát elkezdünk félbe és újból félbe vágni, akkor előbb- utóbb eljutunk az atomokhoz. Kérdés: Hány vágás szükséges? Egyetlen atom nanométer A mag „keringő” elektronokkal

- Az elektromos vonzást fotonok közvetítik

Protonokból (p) és neutronokból (n) áll. Az atommag pozitív töltésű A protonok és neutronok kvarkokból állnak A kvarkok „színtöltést” hordoznak A kvarkokat gluonok „ragasztják” össze

Akkor végre értjük az atom működését A protonokból és neutronokból „kilógó” erőhatás tartja össze az atomot.

Megmarad-e az energia a béta- bomlásban? Az elektron energiája nem meghatározott 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf – Reines, Cowan közvetlen megf – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf – Reines, Cowan közvetlen megf.

Részecskecsaládok + antirészecskéik

Részecskék és antirészecskék

Barionok és mezonok

Kölcsönhatások

Kísérleti részecskefizika

Hogyan láthatunk részecskét?

Diffúziós ködkamra -  (He 2+ ) forrással CO ice 2 Thermos  source LED Copper plate Copper rods High Voltage V=   Isopropyl alc. source Particle tracks T increase Fig. 2: Systematic diagram of cloud chamber  (He2+) forrás alkoholos vatta szilárd CO 2 – „szárazjég” hőszigetelő termosz LED 300 V-os feszültség

Egy e + e - ütközés eredménye

CERN 1954-ben 12 ország alapította 1954-ben 12 ország alapította Ma: 20 tagállam Ma: 20 tagállam 7000-nél több felhasználó a világ minden tájáról 7000-nél több felhasználó a világ minden tájáról

A CERN felülnézetből

A gyorsítólánc

Detektor - ütközőnyaláb

Részecskék kölcsönhatása

Eperből körte?

Részecskegyorsítók

Gyorsítók miért? nagy részecskesűrűség nagy részecskesűrűség nagy energia nagy energia atommagreakciók: Coulomb-taszítás legyőzése atommagreakciók: Coulomb-taszítás legyőzése nagy tömegű részecskék létrehozása E=mc 2 nagy tömegű részecskék létrehozása E=mc 2 nagyobb felbontás (de Broglie) nagyobb felbontás (de Broglie)

Lineáris gyorsító

Ciklotron felépítése magfizika: proton, deutérium gyorsítására

Duánsok

Ciklotronmágnes

Nyalábstabilitás

Fázisstabilitás

Betatron oszcilláció Kifelé enyhén csökkenő tér: gyenge fókuszálás: tengely irányú és sugárirányú oszcillációk Kifelé enyhén csökkenő tér: gyenge fókuszálás: tengely irányú és sugárirányú oszcillációk

Szinkrotron proton 7 TeV elektron 100 GeV

Csatolás, SUSY

A csatolási „állandó” A részecskék között az erőket részecskék (bozonok) közvetítik. A részecskék között az erőket részecskék (bozonok) közvetítik. Két részecske közötti erő függ attól, hogy milyen valószínűséggel bocsátanak ki közvetítőrészecskét. Két részecske közötti erő függ attól, hogy milyen valószínűséggel bocsátanak ki közvetítőrészecskét. És milyen valószínűséggel nyelnek el. És milyen valószínűséggel nyelnek el. A két valószínűség (g) megegyezik. Az erő g 2 -tel arányos. Az α = g 2 /4π neve csatolás. A két valószínűség (g) megegyezik. Az erő g 2 -tel arányos. Az α = g 2 /4π neve csatolás. Más-más értékű különböző kölcsönhatások esetén Más-más értékű különböző kölcsönhatások esetén

A „futó” csatolás Erős Gyenge Elektromágneses

Mi a szuperszimmetria? Kétféle részecske van a természetben: fermion és bozon. A fermionok feles spinűek, és nem lehet azonos állapotban két fermion. Mindig egyágyas szobát foglalnak a fermion holtelben. A bozonoknak (nulla vagy pozitív) egész spinjük van, és akárhányan képesek egy szobában aludni. A szuperszimmetria szerint minden fermionnak létezik egy bozon párja és fordítva. Szuperszimmetrikus partnereket még nem találtak, bizonyára nehezek. A SUSY-t valamilyen hatás megbontja.

Leptonok Kvarkok Az anyag családjai SPIN ½ FERMIONOK Sleptonok Skvarkok A „SUSY” részecskék családjai SPIN 0 BOZONOK

Húrelmélet a részecskéket pici húroknak tekinti a részecskéket pici húroknak tekinti kísérlet a kvantummechanika és a relativitáselmélet egyesítésére kísérlet a kvantummechanika és a relativitáselmélet egyesítésére bonyolult matematika bonyolult matematika a SUSY-eredetileg ebből jön, de a standard modellbe is beilleszthető a SUSY-eredetileg ebből jön, de a standard modellbe is beilleszthető … egyelőre nincs ellenőrzési lehetőség egyelőre nincs ellenőrzési lehetőség

Erős kölcsönhatás

Kvarkbezárás – asszimptotikus szabadság ELEKTRODINAMIKA Elektromosság, töltések QED KVANTUMSZÍNDINAMIKA Erős kölcsönhatás, kvarkok QCD … ma már nincsenek szabad kvarkok…

A 2-jetes és 3-jetes esemény

2004-es Nobel-díj David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek aszimptotikus szabadság

Higgs, LHC

Mi a részecskék tömegének eredete? t b c s u d e Mass

A Higgs-bozon A „standard modell” szerint a tömeget egy - Peter Higgs, angol fizikus után Higgs- mechanizmusnak nevezett - hatás hozza létre. Ez az elmélet feltételez egy újabb részecskét, a Higgs-bozont.

Az LHC gyorsítógyűrű

Az LHC és kísérletei méterrel a föld alatt

Az LHC A CERN-ben épülő új gyorsítógyűrű a nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) protont fog protonnal ütköztetni 14 billió elektronvolton (14 TeV). Várhatóan 2007-ben indul. Reményeink szerint megtaláljuk vele a Higgs- bozont és a SUSY részecskéket.

ALICE (LHC-detektor)

A CMS detektor egy szelete (a gyorsítócső merőleges erre a síkra) Kattintás a részecsketípuson: animáció Esc: kilépés

Mit is adott a világnak a CERN a részecskefizikán kívül? A WWW grafikus világa Valós idejű digitális adatfeldolgozás Szuperszámítógép clusterek (GRID) Szupravezető mágnesek Alagútfúrás tökéletesítése (Csalagút) A jövő pedig az LHC (2007) …

A neutrínók

A bomlás nagyon lassú (15 perc rendkívül hosszú idő bomlásoknál) Ezeknélkül a gyenge folyamatok nélkül a Nap leállna! A (szabad) neutron radioaktív, 15 perc alatt protonra, elektronra és neutrínóra bomlik A gyenge kölcsönhatás

Neutrínók a Napból Kérdés: Hány napból jövő neutrínó halad át a körmünkön egy másodperc alatt? Válasz: 40 milliárd! – éjjel és nappal, mivel a neutrínók képesek áthatolni a Földön kölcsönhatás nélkül A Napról föld alatt készített kép neutrínókkal

Napneutrínó-probléma Harmadannyi neutrínót észleltek, mint a Nap modellezéséből jön (1956, Davis) (Marx György: Hova tűnt a Nap az égről?) Mi lehet az ok? 1. rossz a csillagmodell 2. neutrínóoszcilláció (1964, többféle neutrínó) 3. a Nap anyaga alakítja át

A Super-K egy csónakkal

Cserenkov-detektor

Az SK egy észlelése és ugyanez müonnal

Atmoszférikus neutrínó- oszcilláció

A Sudbury Neutrínó Obszervatórium (SNO) Kanada, bánya 2000 m mélyen 1000 t nehézvíz elektront lök meg 3. szétlöki az atommagot Kanada, bánya 2000 m mélyen 1000 t nehézvíz elektront lök meg 3. szétlöki az atommagot Cserenkov-detektor 9600 fotoelektron-sokszorozó az összes típus mérhető

Megvan az összes megjósolt Napneutrínó! (2001, SNO) Az oszcillációhoz tömegkülönbség kell: valamely neutrínónak kell lennie tömegének Megvan az összes megjósolt Napneutrínó! (2001, SNO) Az oszcillációhoz tömegkülönbség kell: valamely neutrínónak kell lennie tömegének

Az ősrobbanás

Az Univerzum története NAGY BUMM Részecskegyorsítók

Pillanatfelvétel

Ősrobbanás bizonyítékai Doppler-eltolódás (vöröseltolódás) Doppler-eltolódás (vöröseltolódás) kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (következő diák) kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (következő diák) elemgyakoriság (75% H, 25 % He) elemgyakoriság (75% H, 25 % He)

Amikor az atomok befogták az elektronokat, akkor a Világegyetem átlátszóvá vált. Az akkori ( éves Világegyetem) fotonjait háttérsugárzásként érzékeljük. A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2003)

13 milliárd éve kezdte az útját a maradványsugárzás. Útja alatt a Világegyetem tágult, a hullámhosszak növekedtek, jelenleg a mikrohullámnál (néhány cm) van a maximum. Hőmérsékleti térkép Föld Világ- egyetem

…azaz a Világegyetem sík

A Világegyetem összetétele

CERN-sajátkezűleg

Detektor szerkezete

e + e - keletkezik

müonpár keletkezik

másik müonpár oldalról

Tau-részecskék keletkeznek

két dzset keletkezik

3-dzset

3-dzset nagyítva

3-dzset forgatva

A részecskecsaládok száma

A részecskecsaládok száma 1.

A részecskecsaládok száma 2. x = e, müon, tau, hadron

A részecskecsaládok száma 3. A x: elágazási arány Γ x /Γ teljes n: nem látható, azaz neutrínó. SM szerint: 1,979-szer lepton eseményé

Statisztikai hiba Statisztikai hiba: N mért esemény esetén Statisztikai hiba: N mért esemény esetén Pl. 64 elektron eseménynél 64±8 Pl. 64 elektron eseménynél 64±8 Nagy eseményszámnál kisebb relatív hiba Nagy eseményszámnál kisebb relatív hiba

Részecskeszám (kozmológia) A részecskecsalád számtól is függ, hogy kezdetben melyik elemből mennyi alakult ki. 3 család