2. Kölcsönhatások.

Az előadások a következő témára: "2. Kölcsönhatások."— Előadás másolata:

1 2. Kölcsönhatások

2 Gravitációs Elekromágneses Kölcsönhatás
Milyen „kölcsönhatásokra” utalnak a képen látható jól ismert események? A nagyon „tudományos” elnevezésük: Gravitációs Elekromágneses Kölcsönhatás

3 Sir Isaac Newton esetét
Kölcsönhatások. Amint láttuk a két legismertebb: Gravitációs: Elektromágneses: N S Jól ismert… lásd Sir Isaac Newton esetét az almával Elektromos és Mágneses jelenségek De hogyan jön létre köztük a “kölcsönhatás” ?

4 A kölcsönhatások mechanizmusa (1)
Egy játékos analógia: A korcsolyázók közti kölcsönhatás (erő) „közvetítője” a kölcsönösen egymásnak dobott (cserélt) labda („részecske”)

5 A „játékos” analógiához hasonlóan minden kölcsönhatásnak
A kölcsönhatások mechanizmusa (2) A „játékos” analógiához hasonlóan minden kölcsönhatásnak van egy (vagy több) közvetítő részecskéje! Ezekkel a kölcsönhatást „közvetítő” részecskékkel fogunk most ismerkedni. És: megismerünk két újabb kölcsönhatást is!

6 Az elektomágneses kölcsönhatás és közvetítöje
Elektromos és Mágneses jelenségek Az elektromágneses kölcsönhatás „forrása” az elektromos töltés (csak elektromos töltéssel rendelkező részecskék között hat) A közvetítő részecske a foton (-részecske)

7 2 újabb kölcsönhatást mutatunk be nektek.
A következőben 2 újabb kölcsönhatást mutatunk be nektek. Ezek: az erős és a gyenge kölcsönhatások

8 Az erős kölcsönhatás és közvetítői.
Az erős k.h. tartja össze az atommag protonjait/neutronjait és az összetett részecskék (pl. a proton/neutron) kvarkjait q Atommag proton Az erős kölcsönhatás forrása a szín(töltés) Az erős kölcsönhatás közvetítői a gluonok (8 db). A gluonok is „színesek”, sőt „kétszínüek” (egy szín és egy anti-szín) kvark Gluon-csere Színtöltéssel rendelkeznek a kvarkok és a gluonok, de a leptonok nem, így azok érzéktelenek az erős kölcsönhatással szemben

9 A gyenge kölcsönhatás és közvetítői
3 Nobel-díj Példa: neutron () bomlása: W- A kvarkok szintjén ez történik d→ uW- W- → e-  Neutron Proton A szabad neutron ~10 perc alatt a fenti módon elbomlik. A gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi a W+,W- és Z0 (nehéz!) bozonok [ m  mproton ] Fontos: „gyenge töltése” minden elemi részecskének (kvarkok/leptonok) van ezért egymással („gyengén”) kölcsönhatásba léphetnek!

10 a neutrínókról meg a gyenge kölcsönhatásról!
Egy perc két zseniről, a neutrínókról meg a gyenge kölcsönhatásról! A gyenge kölcsönhatás a nap energiatermelésének forrása És így földi létezésünk alapja! W. Pauli: aki „megjósolta” E. Fermi: ő volt a „keresztapa” és az elmélet kidolgozója Nem csak a Nobel - díj de megtisztelő bélyegek is emlékeznek róluk...

11 n Érdemes megjegyezni:
A világegyetem leggyakoribb részecskéi a neutrinók! n Elektron, proton és a neutron „csak ritkaságok”! Ezek mindegyikére 1 milliárd neutrínó jut az Univerzumban. n n n n n nnnnnnnn nn n n nn n nnnnnnn n nn nn nn n n n n n nn n n nn n nnnnnn n nn nn nn nnnnnnn nn nn n nnn nnnnnnn Az űr minden cm3 –ben a Big Bang-ből eredő ~300 neutrínó található 1 cm 1 cm

12 n Neutrínók a bőrünk alatt is… Ne tessék aggódni!
Másodpercenként 1014 „nap-neutrínó” éri testünket. Ne tessék aggódni! A neutrínók nem bántanak bennünket. Testünk átlátszó a neutrínók számára (jönnek és mennek… még csak nem is köszöntenek…)

13 Érdekes amit a neutrínókról hallottunk DE
térjünk vissza a 4 kölcsönhatáshoz!

14 a 4 kölcsönhatás és „közvetítőik”
Összefoglaló: a 4 kölcsönhatás és „közvetítőik” (ezt a lapot is érdemes a fejükben feljegyezni!)

15 Kérdések a kölcsönhatásokról.
IGEN / NEM válaszokat kérek Az IGEN válaszokat kézfeltartással jelezzék. Milyen részecskék közt hat az erős k.h.? a: csak kvarkok közt b: kvarkok és leptonok közt Milyen részecskék közt hat a gyenge k.h.? a: csak kvarkok közt b: csak leptonok közt c: minden anyagi részecske (kvarkok és leptonok) közt

16 Az előző lapon látottakat (részecskék és kölcsönhatásaik) az u.n.
Standard Modell foglalja elméleti egységbe. Ismétlésként rakjuk mindezeket 1 összefoglaló lapra Aki már nagyon elfáradt Vagy ismétlés nélkül is tudja nyugodtan kihagyhatja.

17 A Standard modell részecskéi: (kvark/lepton:fermion)
anyagi részecskék (kvarkok / leptonok) és a kölcsönhatások közvetítői: 12 „anyagi” részecske (kvark/lepton:fermion) 12 „közvetítő” (bozon) Közvetítő kvark/lepton u up c charm t top d down s strange b bottom n e m elektron müon tau Kvarkok Leptonok g foton gluon Z bozon W Közvetítők Kölcsönhatások közvetítői: Erős: 8 gluon Elektromágneses:  Gyenge: W+,W-,Z0 [Spin = ½ (Fermionok)] g, 8 gluon,W+,W-,Z0 [Spin = 1 (Bozonok)]

18 Kvarkok Leptonok Közvetítő Bozonok A Standard modell alapjai:
anyagi részecskék (fermionok:kvarkok és leptonok) és a kölcsönhatások közvetítő részecskéi (bozonok) Kvarkok Közvetítő Bozonok Leptonok A képen látható egy részecske amiről még nem beszéltünk. Melyik az?

19 sokat keresett és 2012-ben végre megtalált
A következő lapokon a világ legdrágább sokat keresett és 2012-ben végre megtalált részecskéjéről, a Higgs bozonról ejtünk néhány szót. (sokan nevezik „isteni részecskének” is) A Nagy Hadron Ütköztetőn (LHC: Large Hadron Collider) folyt/folyik felkutatására és tulajdonságainak tanulmányozására az izgalmas vadászat. De keresnek még egyéb elméletileg megjósolt részecskéket is. Ilyenek pl. a szuperszimmetrikus (SUSY) részecskék. És… talán valami váratlan is felbukkan… Költségek: ~10 milliárd € [az LHC és a detektorok : ALICE, ATLAS, CMS

20 Peter Higgs, a keresztapa
Bemutatjuk a híres/fontos Higgs Bozont Peter Higgs, a keresztapa Jancsó Gábor. WFK.

21 Az eddig ismertetett „standard” modell
az általunk ismert részecskefizikai jelenségek (részecskék és kölcsönhatásaik) többségére helyes leírást ad DE nem ad magyarázatot az elemi részecskék (kvarkok/leptonok/bozonok) tömegének eredetére. Egy további tér/részecske bevezetésével tömeghez jutnak a részecskéink! Ezt a mindent kitöltő teret Higgs térnek, a térnek megfelelő részecskét Higgs- bozonnak nevezzük. Szemléletesen (bár minden szemlélet kicsit sántít): a részecskék a Higgs térrel „súrlódva” lesznek „tömegesek”, a különböző részecskéknek különböző a „súrlódási” együtthatója így különböző tömeghez jutnak. Akvárium  Univerzum Víz  Higgs tér Halak  Részecskék

22 Amit tudni illik róla: Ő „ad” tömeget a részecskéknek
Felfedezték CERN-ben, 2012-ben Tömege igen nagy 126 GeV Élettartama:  sec, ezért csak bomlásai alapján azonosíthatjuk Jancsó Gábor. WFK.

23 LHC (Large Hadron Collider)  CMS detektor 
Irány most CERN  LHC (Large Hadron Collider)  CMS detektor  ahol 2 nagyenergiájú proton ütközésének leszünk tanúi: a heves ütközésben sok-sok részecske keletkezik (E=mc2) Lesznek köztük olyanok is ahol várhatóan Higgs bozonok is keletkeznek. Jancsó Gábor. WFK.

24  Higgs „születik” H0 p Keletkezett ugyan
de azonnal (10-25 sec) el is bomlik. Itt éppen egy H0 bomlását látjuk. H0 Hurrá! H0 keletkezett a nagyenegiás pp ütközésben p Két nagyenengájú proton (3,5+3,5 Tev) ütközik az LHC gyorsítóban Megtaláltuk volna a Higgset? A dolog nem ilyen egyszerű! Lássuk miért.

25 2 1 3 Egy valós esemény azonban bonyolultabb!
(még ennél is sokszorta bonyolultabb!) Detektoraink segítségével (lásd később) kiválaszthatjuk a gammákat, így most elég velük foglalkozni. De a gammákkal is vannak problémák: Egy ütközésben sok-sok(~több száz) részecske is keletkezik, sok köztük a Higgshez hasonlóan rövid életű és bomlásuk során ők is bomolhatnak Gammákra (itt pl. 1 2 3) Ha éppen keletkezett Higgs is, melyik az a  páros ami a Higgsből származik? Próbálkozzunk! Számítsuk ki az összes pár-kombináció tömegét (m12, m13, m23) és ábrázoljuk egy grafikonon, sok-sok különböző eseményt vizsgálva. 1 3 2 A párok tömege (m) Gev A párok száma Maradjanak hát csak a gammák!

26 Ilyen gyorsan elbomló részecske a keresett Higgs bozonunk isi
Kis kitérő A gyorsítókban keletkező részecskék többsége igen rövid életű (~10-21 – sec) [Legtöbbjük még egy atomnyi méretnek megfelelő távolságot sem fut be élete során és más részecskékbe elbomlik, nincs olyan detektor ami jelezni tudná] Létükről, tömegükről a bomlástermékei segítségével kapunk információt. Ilyen gyorsan elbomló részecske a keresett Higgs bozonunk isi 1 (E1, p1) 2 (E2, p2) H0 10-25 sec A tömeg számoláshoz ismernünk kel a két gamma adatait: energia (E) és lendület/impulzus (p) (a számolás részleteivel most nem fárasztom magukat) Fontos: méréseink során ugyan nem Higgset keresünk hanem a szintén gyorsan elbomló Z0 bozont [Z0  e+e- vagy +-] Tömegét az elektron/müon párok adataiból hasonlóan határozhatjuk meg

27 Gev Egy ilyen a grafikont kell a fizikusoknak adataikkal feltölteni
A párok tömege (m) Gev A párok száma Egy ilyen a grafikont kell a fizikusoknak adataikkal feltölteni ha Higgset akarnak találni. Sok-sok millió ütközést vizsgáltak, meghatározták a  párok tömegét, felrajzolták és megjelent a sokat keresett Higg bozon jele! Természetesen mindezt nagy teljesítményű számítógépek ezrei segítségével végezték. A várhatóan nagy tömegű Higgs két nagy energiájú gammára bomlik ezért a sok-sok gamma közül csak ilyen párokkal foglalkozunk!

28 Hurrá!!! Higgseket találtunk!!!
„Válámi van…” ( Rajkin  ) Hurrá!!! Higgseket találtunk!!! Hol Vannak? Ott a sárga kis dombocskával jelzett helyen, sok-sok „nem Higgs”  részecskepár („háttér”) közé keveredve

29   Itt egy Higgs „jelöltet” (kandidátus) mutatok.
Miért nevezem „csak” kandidátusnak? (Kórusban kérem a választ!)  

30   bomlásra     Ez is egy kandidátus a H0 Oldalnézet A protonok
balról illetve jobbról érkezve ütköznek. Szemből nézve A protonok a lap sikjára merőlegesen ütköznek.     A zölddel jelölt „oszlopok” hosszát a „gammák” kaloriméterben mért energiájával arányosan rajzoltuk fel. Ebből számítható a „szülő részecske” (H0) tömege.

31 A szuperszimmetriáról [SUSY]
Ezt már csak a nagyon „vájt fülűeknek” ajánlom A szuperszimmetriáról [SUSY]

32 12 Spin = ½ Fermionok: 6 Kvark, 6 Lepton 12

33 Eddig képekben mutattuk be a Standard modellt
most bemutatom az elméleti számolásokban használt egyenleteket (rövidített alak) Az elméleti fizikusok ennél ijesztőbb egyenletekkel számolnak, így csak egy másodpercre villantom fel

34 Nem szükséges megjegyezni 

35 Keresd a SUSY-t! Szuperszimmetrikus részecskékkel
ezidáig még nem találkoztunk. Talán mert Ők nehezebbek mint megszokott „világi” partnereik? Ennek a kérdésnek a megfejtésében is segít majd a Szupergyorsító (LHC: Large Hadron Collider Nagy Hadron Ütköztető). De legyünk óvatosak: lehet, hogy a „Szuzi” sem tökéletes? Szárnyaljon hát a fantázia: az igazi megoldást esetleg a megszokott 3+1 dimenziós világunkon túl kell keresni?

36 Az egyenletek bonyolódnak, egyre csak bonyolódnak…
avagy a fantázia tovább szárnyal

37 A húr-elméletben az elemi részecskék (elektron, kvarkok)
Fantáziáljunk tovább: sokdimenziós Húr-elmélet Why wouldn’t we notice extra dimensions? A húr-elméletben az elemi részecskék (elektron, kvarkok) a sokdimenziós tér apró „húrjainak” rezgés-állapotai

38 És a miből áll a Világegyetem?
Ismerjük? Valójában csak egy kicsi részét… Talány az ismeretlen „sötét” energiában, „sötét” anyagban van? ? ?

39 A NASA AMS (szateliten repülő) detektorával
Napi hír! A NASA AMS (szateliten repülő) detektorával a „sötét” anyag nyomára bukkantak? (azonban igen sok még a kétely is!) Ez a lap még szerkesztésre vár…

40 ISS=International Space Station
Részecskefizika: kozmikus sugárzás  földi gyorsítók  vissza a kozmoszba(?) ISS=International Space Station

41 Antianyag (antihélium)?
AMS Antianyag (antihélium)? Sötét anyag? (neutralino)?

42 Ez a lap is még szerkesztésre vár…
Egy mondat a forró kvarkanyagról (Nehézion fizika) Ez a lap is még szerkesztésre vár…

43 Forró (sűrű) kvark anyag?
Ólom + Ólom Forró (sűrű) kvark anyag?

44 Az első nehéz-ion ütközés képe (CERN)

45 ALICE = A Large Ion Collider Experiment
CERN. ALICE = A Large Ion Collider Experiment Van ember aki kiismeri magát ebben a „káoszban’?

46 maradt elég felfedezni való Maguknak is!
A történetnek tehát nincs vége: maradt elég felfedezni való Maguknak is! (van még elég a kasszában a Nobel díjakra) Hurry Up!

47 A szünet után a gyorsítókról és a detektorokról fogunk beszélgetni