Bevezetés a részecske fizikába

Az előadások a következő témára: "Bevezetés a részecske fizikába"— Előadás másolata:

1 Bevezetés a részecske fizikába

2 Kölcsönhatások és azok jellemzése
Erősség Erős 1 Elektromágnes 1 / 137 ≈ 10-2 Gyenge 10-12 Gravitációs 10-44

3 Erős kölcsönhatás Közvetítő részecske: gluonok Hatótávolság: 10-15 m
Nukleonokat (p, n) tartja össze az atommagban A kvantum-színdinamika (QCD) írja le Olyan részecskékre hat, melyek színtöltés hordoznak: kvarok és gluonok Yukava- potenciál: 1 / r  e-μr / r Források: Barionok

4 Elektromágneses és gravitációs k.h.
Források: Töltött részecskék Közvetítő: Fotonok Források: tömeggel rendelkező részecskék Közvetítő: graviton? Hatótávolság: 1 / r , végtelen

5 Gyengekölcsönhatás Közvetítő részecskék: W- és Z-bozonok
β- és a szabad n0 valamint egyes atomokban a p+ és n0 bomlását okozza. Ez az egyedüli kölcsönhatás, amelyben a neutrínó részt vesz

6 Részecskék jellemzése,osztályozása
Fizika tulajdonságok: Tömeg, Spin, Mágneses dipólmomentum, Izospin, Hipertöltés, Bariontöltés, Lepton töltés Osztályozás: Foton, Leptonok, Hadronok (Mezonok, Nukleonok, Hiperonok, Mezon- és barion rezonanciák)

7 Fizikai tulajdonságok
Tömeg: kg  eV, E = mc2 , c=1, 1Mev = 1, J Spin: Saját impulzus-momentum Egész: Bozonok  Szimmetrikus hullámfüggvény Feles: Fermion Antiszimmetrikus hullámfüggvény Mágneses dipól-momentum: μ = g μ0l / h , μ0 = eh / 2mc g: giromágneses faktor : g≠0: semleges részecske g ≠±1: töltött részecske

8 Ritkaság: Számos részecske csak gyenge kölcsönhatással tud bomlani, pedig látszólag semmi oka nincs annak, hogy ne tudjon er os kölcsönhatással bomlani. Az ilyen részecskék felfedezésük idejében ritkák voltak, innen ered a kvantumszám neve. A p+ + π-  Λ0 + K0 Erős k.h. p+ + π-  Λ0 + π 0 Gyenge k.h., Ritka Jele: S példa SΛ = -1; SK=1; S π = Sp = 0 Ha a ritkaság megmarad az erős kölcsönhatásban, akkor az első folyamatban megmarad a ritkaság, a másodikban azonban nem, azaz a gyenge kölcsönhatás sérti a ritkaságmegmaradást.

9 Izospin: Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék (hadronok) érdekes csoportokat alkotnak, melyeknek tagjai igen hasonlítanak egymásra, és az erős kölcsönhatás szempontjából egyformán. viselkednek. Ilyen csoportok a (p; n), (π+; π 0; π-), (Σ +; Σ 0; Σ-). Ezek a csoportok a spin kvantumszámhoz hasonlóan jellemezhetők az I izospin kvantumszámmal, és annak 3. irányú komponensével (I3). Egy csoportban 2I + 1 elem található, és az I3 lehetséges értékei 1-el változnak. A (p; n) ennek alapján egy I = 1/2 csoportot alkotnak, I3 = ±1/2 értékkel.

10 Barion töltés: A proton nem bomlik el a tapasztalat szerint semmilyen kölcsönhatással , amiért valamilyen megmaradási tétel felelős. A hozzá tartozó megmaradó mennyiséget barion töltésnek (B) nevezték el, az erős kölcsönhatásban résztvevő anyagi fermionok rendelkeznek pozitív bariontöltéssel, antirészecskéig negatív töltéssel. Lepton töltés: A részecskék egy csoportja (a könnyű fermionok: elektron, müon, tau) minden kölcsönhatásban párosan vesznek részt, ami arra utal, hogy ezek rendelkeznek egy megmaradó kvantumszámmal, ez a leptonszám (L). Az antirészecskék negatív leptonszámmal rendelkeznek. Csak az e- családba tartozó részecskéknek van. Marx György fedezte fel 1952-ben. n  p+ + e- + ve B: 1 = L: 0 = – 1 Hiper töltés: Y = B + S = 2 (Q – I3)

11 Részecskék osztályozása

12 Foton A kvantált elektromágneses mező gerjesztésének kvantuma.
Az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske Mnyug = 0 , c = áll. ? , Q = 0, nem bomlik spontán módon Keletkezése: Töltésgyorsítás, Gerjesztés, Részecske – antirészecske találkozás Egy módon "bomlik": anyagban, belső konverzióval, részecske-antirészecske párra. Virtuális foton: Két e- kölcsön hat egymással, virtuális foton cserélődik ki közöttük. mvf ≠ 0. Rövid élettartamú. Minél rövidebb az élettartama, annál nagyobb lehet ez a tömeg. A mai nagy gyorsítókkal a p+ tömegének százszorosánál nagyobb tömegű virtuális fotont is sikerült előállítani.

13 Leptonok 1. Olyan elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban (kvarkok), és nem is közvetítenek kölcsönhatást Elektron neutrínó: νe , m < 2.5 (7.5) eV, Q = 0, Spin: ½ , stabil Müon neutrínó: νμ , m < 170 KeV, Q = 0, Spin: ½ , stabil Tau neutrínó: ντ , m < 18 MeV, Q = 0, Spin: ½ , stabil

14 Leptonok 2. Elektron: m= 0.51 MeV, Q = -1  1,602 ·10−19 C , Spin: ½, Stabil Müon: m = 105 MeV, τ = 2,19 × 10-6 s, cτ = 658,654 m Spin: ½ Bomlása: μ− e− + νe + νμ (100%) Tau: m = 1776 MeV, τ = 2,9 × 10−15 s, cτ = 87,11 μm Bomlása: τ μ− + νμ + ντ (17,36%) és még sok

15 Hadronok Olyan összetett szubatomi részecskék, amelyeknek összetevői kvarkok és gluonok Az erős kölcsönhatás kötött állapotai A kvarkok kötött állapotai Mezonok: Kvark + antikvark, Egész spinűek Barionok: 3 kvark Nukleonok: Hiperonok: Rezonok

16 Mezonok

17 Pion 1. π-mezon, Legkönnyebb mezon, Spin: 0
π+ : u + d , m = 139,6 MeV, Q = +1 π- : d + u , m = 139,6 MeV, Q = -1 τ = × 10−8 s ; cτ = m Mind az u és u, mind a d és d, együtt semleges, de mivel az előbbi párok azonos kvantumszámokkal rendelkeznek, csak a két pár szuperpozíciójaként található meg. A legalacsonyabb energiájú szuperpozíció a π0, amely saját antirészecskéje

18 Pion 2. Fő bomlási mód (99,9877%): π+  μ+ + νμ ; π-  μ- + νμ
2. leggyakoribb bomlás (0,0123%) π+  e+ + νe ; π-  e- + νe

19 Pion 3. π0 m = 135 MeV, Élettartam: 8 x 10-17 s ; cτ = 25.1 nm
π0  2γ (98,798%) ; π0  γ + e+ + e- (1,198%) Kvark összetétele: (uu – dd) / √2 Az élettartamuk azért ennyire eltérő, mert a töltött pionok bomlását a gyenge kölcsönhatás, a semlegesét az elektromágneses kölcsönhatás hozza létre. A π0 részecske sokkal nehezebben megfigyelhető, mint a π±; mivel elektromosan semleges nem hagy nyomot az emulzióban. A π0 részecskét 1950-ben a bomlástermékei révén találták meg.

20 Kaon 1. K – mezon m = 493,8 MeV, Spin = 0
K+ = u + s ; τ = × 10−8 s; cτ = m, Q = +1 I = ½, S=1, J =0- Bomlási módok Hadron: K +  π+ + π0 (20,66%); K +  2π+ + π0 (5,59%) Lepton: K +  μ+ + νμ (63,55%); K +  e+ + νe (1,58%) Lepton és semi lepton fotonnal : K+ → μ+ + νμ + γ Hadron fotonnal: K+ → π+ + π0 + γ

21 Kaon 2. K- = u + s τ = 1.2380 × 10−8 s; cτ = 3.712 m, Q = -1
Bomlási módok: Hasonló a K- - hoz Hadron fotonnal: K± → π+ + e+ + e− + γ K0 = d + s Élettartam: 9 x s m = 497,614 MeV Bomlási mód: K0  π- + π

22 Kaon 3. K – Short: τ = 8,9 x 10-11 s, cτ = 2.6842 cm
m = 497, 614 MeV KS = (ds – sd )/ √2 Bomlások Hadron 2π0 (30,69%); π+ + π- (69,2%); π+ + π- + π0 Foton: π+ + π- + γ K – Long: τ = 5,116 x 10-8 s, cτ = m KL = (ds + sd )/ √2 Bomlások : KL  π+ + π- + π0

23 D - mezonok D+ = cd , D0 = cu, D0 = cu , D- = cd
D± : m = 1869 MeV τ = 1,040 × 10−15 s ; cτ = μm D0: m = 1864 MeV τ = × 10−15 s ; cτ = μm D+ bomlások: Lepton: e+ + νe , μ+ + νμ ; τ+ + ντ Hadron: KS0 + π+ (1,5%); KL0 + π+ (1,5%) Pion: π+ + π-; 2π+ + π-

24 J/ψ(1S) m = 3096.916 MeV cc Full width Γ = 92.9 ± 2.8 keV
Bomlása: hadronokra (87.7%) virtuális γ (13,5%), ggg (64.1%), γ g g (8,8%) hadron rezonanciákra (1,69%) ρπ, …

25 η (Éta) ρ (700) részecske m = 775.49 Élettartam 125 s
m = MeV Bomlása: Természetes: (71,9%)η  2γ(39,91%), 3π0 (32,57%) Töltött: (28,1%) η  π+ + π− + π0 (22,74%), π+π−γ (4,6%) ρ (700) részecske m = Élettartam 125 s Bomlása: ρ π + π (100%)

26 ω(782) omega mezon m = 782 MeV Élettartam: 11,4s
Bomlása: ω π+ + π− + π0 (89,2%), π0 + γ (8.28%), π+ + π− (1,53%)

27 Barionok

28 Proton m = 938 MeV, Stabil, Q = +1 (1,602 x 10-19 C)
Spin: ½ (fermion), p = uud I = ½ P+ = uud, ezen kívül gluonok és tovább rövid élettartamú kvarok. Tömege jóval nagyobb, mint a vegyértékkvarkok össztömege. Bomlások?: Antilepton és mezon: p  e+ + π ; e+ + η; μ+ + η Lepton és mezon: p → e− + 2π+ Antilepton és foton: e+ + γ 3 lepton: e+ + e+ + e-

29 Neutron m = 939 MeV, Spin = ½, I = ½ (fermion), Q=0 n0 = udd
Élettartam atommagon kívül: 886s (15 perc) n0  p+ + e- + νe + 0,78 MeV τ = ± 0.8 s, cτ = × 108 km Bomlását a gyenge kölcsönhatás okozza

30 Delta barionok m = 1232 MeV, τ = 6 x 10-24 s, S=0, I = 3/2
Δ++ = uuu, Bomlása: π+ + p Δ+ = uud, Bomlása: π+ + n vagy π0 + p Δ0 = udd, Bomlása: π0 + n vagy π- + p Δ− = ddd, Bomlása: π- + n

31 Λ barion m = 1115 MeV, S = -1, I =0 τ = 2.631 x 10-10 s, cτ = 7.89 cm
uds Bomlásai: p + π- (63,9%) n + π0 (35.8%) n + γ ; p + π- + γ ; p + e− + νe (<0.001%)

32 Σ barionok 1. S = -1, I = 1 Σ+ : m = 1189 MeV τ = × 10−10 s, cτ = cm uus Σ0 : m = 1192 MeV τ = 7.4 × 10−20 s , cτ = 2.22 × 10−11 m uds Σ− : m = MeV τ = × 10−10 s, cτ = cm dds

33 Σ barionok 2. Bomlások: Σ+  p + π0 (51.57%) , n + π+ (48,31%) p + γ, n + π+ , Λ + e+ + νe (<0.001%) Σ0  Λ0 + γ (100%) Σ−  n + π− (99.8%), n + π− + γ (<0.001%)

34 Ξ (Xi) barionok S = −2, I = ½ Ξ0: m = 1314 MeV, τ = × 10−10 s, cτ = 8.71 cm Ξ0 =uss Bomlása: Ξ0Λ0 + π0 (99,5%) , Λγ (0.001%) Ξ-: Ξ- =dss m = 1321MeV, τ = × 10−10 s, cτ = 4.91 cm Bomlása: Ξ- Λ0 + π0 (99,887 %), Σ−γ (0.0001%)

35 Ω barion S = -3, I = 0 sss m = MeV ; τ = 8,21 × 10−11 s cτ = cm Bomlása: Ω  Λ0 + K− (67.8%), Ξ0 + π− (23,6%) Ξ−+ π0 (8,6%) Ξ− + π+ + π− (<0.001%)

36 Barion-oktett

37 Mezon -nonett

38 VÉGE