Részecskefizika Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád.

Az előadások a következő témára: "Részecskefizika Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád."— Előadás másolata:

1

2 Részecskefizika Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád

3 Segédletek www.szgti.bmf.hu/fizika www.szgti.bmf.hu/fizika www.szgti.bmf.hu/fizika 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

4 Az anyag felépítése

5 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

6 - Az elektromos vonzást fotonok közvetítik

7 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

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

9 Megmarad-e az energia a béta- bomlásban? Az elektron energiája nem meghatározott 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf. 1959 – Reines, Cowan közvetlen megf. 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf. 1959 – Reines, Cowan közvetlen megf.

10 Részecskecsaládok + antirészecskéik

11 Részecskék és antirészecskék

12 Barionok és mezonok

13 Kölcsönhatások

14 Kísérleti részecskefizika

15 Hogyan láthatunk részecskét?

16 Diffúziós ködkamra -  (He 2+ ) forrással CO ice 2 Thermos  source LED Copper plate Copper rods High Voltage 100-200 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

17 Egy e + e - ütközés eredménye

18 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

19 A CERN felülnézetből

20 A gyorsítólánc

21 Detektor - ütközőnyaláb

22 Részecskék kölcsönhatása

23 Eperből körte?

24 Részecskegyorsítók

25 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)

26 Lineáris gyorsító

27 Ciklotron felépítése magfizika: proton, deutérium gyorsítására

28 Duánsok

29 Ciklotronmágnes

30 Nyalábstabilitás

31 Fázisstabilitás

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

33 Szinkrotron proton 7 TeV elektron 100 GeV

34 Csatolás, SUSY

35 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

36 A „futó” csatolás Erős Gyenge Elektromágneses

37 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.

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

39 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

40 Erős kölcsönhatás

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

42 A 2-jetes és 3-jetes esemény

43 2004-es Nobel-díj David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek aszimptotikus szabadság

44 Higgs, LHC

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

46 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.

47 Az LHC gyorsítógyűrű

48 Az LHC és kísérletei 60-100 méterrel a föld alatt

49 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.

50 ALICE (LHC-detektor)

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

52 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) …

53 A neutrínók

54 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

55 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

56 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

57 A Super-K egy csónakkal

58 Cserenkov-detektor

59 Az SK egy észlelése és ugyanez müonnal

60 Atmoszférikus neutrínó- oszcilláció

61 A Sudbury Neutrínó Obszervatórium (SNO) Kanada, bánya 2000 m mélyen 1000 t nehézvíz 1. 2. elektront lök meg 3. szétlöki az atommagot Kanada, bánya 2000 m mélyen 1000 t nehézvíz 1. 2. elektront lök meg 3. szétlöki az atommagot Cserenkov-detektor 9600 fotoelektron-sokszorozó az összes típus mérhető

62 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

63 Az ősrobbanás

64

65 Az Univerzum története NAGY BUMM Részecskegyorsítók

66 Pillanatfelvétel

67 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)

68 Amikor az atomok befogták az elektronokat, akkor a Világegyetem átlátszóvá vált. Az akkori (380 000 éves Világegyetem) fotonjait háttérsugárzásként érzékeljük. A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2003)

69 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

70 …azaz a Világegyetem sík

71 A Világegyetem összetétele

72 CERN-sajátkezűleg

73 Detektor szerkezete

74 e + e - keletkezik

75 müonpár keletkezik

76 másik müonpár oldalról

77 Tau-részecskék keletkeznek

78 két dzset keletkezik

79 3-dzset

80 3-dzset nagyítva

81 3-dzset forgatva

82 A részecskecsaládok száma

83 A részecskecsaládok száma 1.

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

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

86 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

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