Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωματιδίων Δρ. Θεόδωρος Γέραλης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ •

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωματιδίων Δρ. Θεόδωρος Γέραλης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ •"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωματιδίων Δρ. Θεόδωρος Γέραλης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ • Ο κόσμος των σωματιδίων σήμερα • Το Καθιερωμένο Πρότυπο • Προοπτική για τη νέα Φυσική ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» Παρουσίαση για τους μαθητές του MasterClass Μαρτίου 2013

2 Από τι είμαστε φτιαγμένοι; O H C mainly water (H 2 O) Πολύ Οξυγόνο (Οξείδια) waterstof en helium unknown 96% άγνωστο που βρίσκεται

3 Ιστορική Αναδρομή (I) • 1897Ηλεκτρόνιο (Ανακάλυψη απο J.J. Thomson: εκπομπή από πυρακτωμένο νήμα) • 1909Πυρήνας (ανακάλυψη Rutherford)Πυρήνας (ανακάλυψη Rutherford) • 1900 – 1924Φωτόνιο (Planck, Einstein, Millikan, Compton) • 1927Dirac υπόθεση για ύπαρξη αντι-ηλεκτρονίου (ποζιτρονίου) • 1930Ποζιτρόνιο • 1932Νετρόνια (Chadwick) • 1934Έρευνα για τον μεσάζοντα της Ισχυρής Αλλ/σης (Yukawa particle) • 1937Μιόνιο (Anderson, Neddermeyer, Street, Stevenson – κοσμικές ακτίνες). ΔΕΝ ΗΤΑΝ το Yukawa particle ! Πρώτο ρήγμα στην εικόνα της εποχής για τα στοιχειώδη σωματίδια: Το Μιόνιο είναι ένα «βαρύ» ηλεκτρόνιο - λεπτόνιο • 1947Πιόνιο ( Yukawa particle – Powel et al. Bristol) • 1947Παράξενα σωματίδια σε κοσμικές ακτίνες (Καόνια: Κ 0  π + π - ) • 1955Νετρίνο (Reines, Cowan – Savannah river Nuclear Reactor) Υπόθεση ύπαρξής του από διάσπαση – β (3-body decay) • 1955Αντιπρωτόνιο

4 Ιστορική Αναδρομή (II) • 1950 – 1960Πληθώρα σωματιδίων (Μεσονίων και Βαρυονίων) έχουν ανάγκη ενός νέου «Περιοδικού Πίνακα». • 1961 – 1964Gell-Mann Murray, Eightfold way, Baryon Octet, Meson Octet, Baryon Decuplet. O Gell-Mann πρόβλεψε την ύπαρξη του βαρυονίου Ω - (S=-3) • 1964Ανακάλυψη του Ω -. • 1964Up – Down – Strange Quarks (Gell-Mann, Zweig) Βαρυόνια = π.χ Μεσόνια = π.χ. • 1964Δ++(uuu), Αρχή του Pauli ;  Εισαγωγή νέου κβαντικού αριθμού, του χρώματος (R,G,B) = Φορτίο της Ισχυρής Αλλ/σης. • 1970Πίνακας Στοιχειωδών Σωματιδίων:

5 Ύλη Μόριο Άτομο Ηλεκτρόνιο Πυρήνας Νετρόνιο Πρωτόνιο Κουάρκς Από τον Μικρόκοσμο στον Μακρόκοσμο και από το απειροστά μικρό ως τα κοσμολογικά μεγέθη Φορτίο Τα κουάρκ u+2/3 d-1/3 Το ηλεκτρόνιοe-1 Το νετρίνο του eν e 0 Φορτίο Τα κουάρκ u+2/3 d-1/3 Το ηλεκτρόνιοe-1 Το νετρίνο του eν e 0 Μια οικογένεια Σωματιδίων Αρκεί για να φτιάξουμε σχεδόν ότι βλέπουμε γύρω μας Δεν υπάρχουν ελεύθερα κουάρκ στη φύση Ενώνονται και σχηματίζουν: Αδρόνια = (qqq) Μεσόνια = (qq)

6 Νετρόνιο Φορτίο = 0 Πρωτόνιο Φορτίο = +1 ⅔⅔ ⅔⅔ ⅓⅓ ⅓⅓ ⅓⅓ ⅔⅔ Το Πρωτόνιο έχει Φορτίο +1 Εξαιτίας των κουάρκ Που το αποτελούν Το Νετρόνιο έχει Φορτίο 0 Εξαιτίας των κουάρκ Που το αποτελούν Τα Αδρόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ

7 ⅔⅔ +⅓+⅓ Το π + (πιόνιο) έχει Φορτίο +1 Το π - (πιόνιο) έχει Φορτίο -1 -⅔-⅔ -⅓-⅓ Τα Μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ Το π 0 (πιόνιο) έχει Φορτίο 0 -⅔-⅔ +⅔+⅔

8 Γκλουόνια (8) Κουάρκς Μεσόνια Βαρυόνια Πυρήνες Βαρυτόνιο ? Μποζόνια (W,Z) Άτομα Φως Χημεία Ηλεκτρονικά Ηλιακό σύστημα Γαλαξίες Μαύρες τρύπες Διάσπαση νετρονίου Βήτα διάσπαση Αλλ/σεις νετρίνων Πυρηνική ενέργεια Ήλιου Ισχυρή Φωτόνιο Βαρυτική Ασθενής The particle drawings are simple artistic representations Ηλεκτρομαγνητική Tαυ Mιόνιο Ηλεκτρόνιο Tαυ Νετρίνο Μιονίου Νετρίνο Ηλεκτρονίου Bottom Strange Down Top Charm Up 2/3 -1/3 καθε κουάρκ: R, B, G 3 χρώματα Κουάρκς Ηλεκτρικό Φορτίο Λεπτόνια Ηλεκτρικό Φορτίο Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων (’70) ? ? ? ? ? ? ? ?

9 ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ: ΠΡΟΤΑΘΗΚΕ ΣΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ ‘60 ΣΥΜΠΛΗΡΩΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ ‘70 ΜΕ ΣΕΙΡΑ ΣΗΜΑΝΤΙΚΩΝ ΑΝΑΚΑΛΥΨΕΩΝ 1974: ανακάλυψη του κουάρκ c (charm = «χαριτωμένο»), 1975: ανακάλυψη λεπτονίου τ («αδερφάκι» του ηλεκτρονίου), 1977: ανακάλυψη κουάρκ b ( b beauty = κουάρκ «ομορφιάς»), 1983: ανακάλυψη σωματιδίων W+, W- και Z που αποτελούν φορείς της Ασθενούς δύναμης, 1990: απόδειξη ότι υπάρχουν μόνο 3 οικογένειες στοιχειωδών σωματιδίων, 1990 – 2000: εξονυχιστικός έλεγχος των παραμέτρων του με ακρίβεια μικρότερη από 1%, 1995: ανακάλυψη top κουάρκ και 2000: ανακάλυψη νετρίνου του τ λεπτονίου. 4 η Ιουλίου 2012: Λείπει μόνο το Σωμάτιο Higgs

10 Γκλουόνια (8) Κουάρκς Μεσόνια Βαρυόνια Πυρήνες Βαρυτόνιο ? Μποζόνια (W,Z) Άτομα Φως Χημεία Ηλεκτρονικά Ηλιακό σύστημα Γαλαξίες Μαύρες τρύπες Διάσπαση νετρονίου Βήτα διάσπαση Αλλ/σεις νετρίνων Πυρηνική ενέργεια Ήλιου Ισχυρή Φωτόνιο Βαρυτική Ασθενής The particle drawings are simple artistic representations Ηλεκτρομαγνητική Tαυ Mιόνιο Ηλεκτρόνιο Tαυ Νετρίνο Μιονίου Νετρίνο Ηλεκτρονίου Bottom Strange Down Top Charm Up 2/3 -1/3 καθε κουάρκ: R, B, G 3 χρώματα Κουάρκς Ηλεκτρικό Φορτίο Λεπτόνια Ηλεκτρικό Φορτίο Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων 1 η Οικογένεια 2 η Οικογένεια 3 η Οικογένεια γg

11 Διασπάσεις σωματιδίων– Ασθενής Αλληλεπίδραση β-διάσπαση

12 Διασπάσεις σωματιδίων – Ισχυρή Αλληλεπίδραση Δ(udd) p(udu) π- (ud) g

13 Διασπάσεις σωματιδίων Ένας «Θάλαμος φυσαλίδων» Το Υδρογόνο είναι στόχος και ανιχνευτής ταυτόχρονα Ένας «Θάλαμος φυσαλίδων» Το Υδρογόνο είναι στόχος και ανιχνευτής ταυτόχρονα Λ(uds) P(udu) π- (ud) W-W-

14 Οι τέσσερις Θεμελιώδεις δυνάμεις Σχετική ισχύς Ισχυρή Πυρηνική Δύναμη Ασθενής Πυρηνική Δύναμη Βαρύτητα ; 1 Ηλεκτρομαγνητική δύναμη 1/137 1/ / ~10 -39

15 years ago 1 second second Η Μεγάλη Έκρηξη Σωματιδιακή Φυσική

16 ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ: ΠΡΟΤΑΘΗΚΕ ΣΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ ‘60 ΕΞΑΙΡΕΤΙΚΑ ΚΟΜΨΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥΣ (ΤΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ) Στοιχειώδη σωματίδια: είναι «σημειακά», χωρίς εσωτερική δομή και συνιστούν τους δομικούς λίθους του κόσμου μας π.χ ηλεκτρόνια, κουάρκς Ενοποιεί Ηλεκτρομαγνητική και Ασθενή δύναμη  Ηλεκτρασθενή ΠΡΙΝ : ΜΕΓΑΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ), ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ=ΑΫΛΑ, HIGGS ΔΕΝ ΕΠΙΔΡΑ ΜΕΤΑ : ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ), Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ HIGGS ΕΝΡΓΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΚΑΙ ΔΙΝΕΙ ΜΑΖΑ ΣΤΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ

17

18 ΣΥΜΜΕΤΡΙΕΣ Συμμετρίες: Εξαιρετικά σημαντικός ρόλος στη Θεωρητική Φυσική Θεώρημα της Noether: Συμμετρία  Νόμος Διατήρησης Χωρικής μετατόπισηςΔιατήρηση Ορμής Χρονικής μετάθεσηςΔιατήρηση Ενέργειας Στροφών Στροφορμής Διακριτές Συμμετρίες: Συζυγίας Φορτίου (Charge Conjugation) (Σωματίδιο  Αντισωματίδιο)  C Ομοτιμίας (Parity) (Αντιστροφής Συντεταγμένων)  P Αντιστροφή Χρόνου (Time reversal)  T CPT: Διατηρείται από όλες τις αλληλεπιδράσεις  αποτελεί βάση για όλη τη Θεωρητική Φυσική

19 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ (ΗΜ) Κλασσική Θεωρία: Faraday, Maxwell (1864) Επιβιώνει και μέσα στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας Εξαιρετικά επιτυχημένη και μέσα στην Κβαντομηχανική Quantum Electro Dynamics (QED) : Η πιο επιτυχημένη Θεωρία που διαθέτουμε, π.χ. Σταθερά Λεπτής Υφής α(e) exp = (4.3) x α(e) theory = (4.3) x  Παράδειγμα προς μίμηση !!! Ποιά είναι τα χαρακτηριστικά της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης που πρέπει να αντιγράψουμε και στις άλλες Αλληλεπιδράσεις;;; δηλ. την Ασθενή και την Ισχυρή ;;;

20 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Μας ενδιαφέρει η Διαφορά δυναμικού και όχι η απόλυτη τιμή του ! Αν αλλάξω το Ηλεκτρικό Δυναμικό παντού κατά την ίδια ποσότητα η φυσική δεν αλλάζει: Σφαιρική Συμμετρία Βαθμίδας  Διατήρηση του Ηλεκτρικού Φορτίου !!! Όμως ο ΗΜ μένει αναλλοίωτος ακομα και σε μια (πιο γενική ) αλλαγή των πεδίων σε κάθε σημείο στο χώρο: ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ = Είναι μια Τοπική Θεωρία Βαθμίδας Επιβολή Τοπικής Συμμετρίας ΒαθμίδαςΕπιβολή Αλληλεπίδρασης (του φορτίου q με το πεδίο Α δηλαδή με το φωτόνιο !)

21 Πώς τα γνωρίζουμε όλα αυτά; Κοσμικές Ακτίνες Κοσμικές ακτίνες Ραδιενέργεια Πειράματα Επιταχυντών Και περίπου 100 χρόνια σκληρής δουλιάς από πολλούς ανθρώπους....

22 CERN Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC CERN Site (Meyrin) SPS Γιατί χρειαζόμαστε Επιταχυντές; 1)Παραγωγή νέων σωματιδίων με μεγάλη μάζα: 2) Μεγάλη Ενέργεια  μικρό μήκος κύματος  καλή διακριτική ικανότητα Ο ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ LHC ~GeV 1fm = m

23 Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων p p     πρωτόνιο Παράγονται σωματίδια και αντισωματίδια E = mc 2 πρωτόνιο Η διαθέσιμη ενέργεια είναι 7-8 TeV !!! (2010 – 2012) ή περίπου 7000 μάζες πρωτονίου Η τελική ενέργειά του θα είναι 14 TeV (2014)

24 Η δομή του πρωτονίου Το πρωτόνιο δεν αποτελείται απλά από 3 κουάρκ (uud) Εκτός από αυτά τα 3 (“valence” quarks) υπάρχει και μια «θάλασσα» από γκλουόνια και Ζευγάρια κουάρκ – αντικουάρκ Χρειάζονται οι Συναρτήσεις Πυκνότητας των Παρτονίων Parton Density Functions (δεν είναι γνωστές με ακρίβεια Και πρέπει να μετρηθούν και αυτές στις Ενέργειες του LHC)

25

26 Το Πείραμα CMS

27 Εγκάρσια τομή του ανιχνευτή CMS Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit

28 “Demokritos” Participation in CMS at CERN 28 Μία πραγματική σύγκρουση Στον κέντρο του πειράματος CMS

29 Κύριος Στόχος του LHC: Εξερεύνηση νέας κλίμακας Ενέργειας 29 Πολλές Διαστάσεις SUSY partners ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Σκοτεινή Ύλη Tiny Black Holes q-g plasma SM(t,b, QCD,E/W) … !!! UNEXPECTED!!! The Higgs Boson

30 2010: Re-discovered the Standard Model at 7TeV J. Pivarski

31 Πρώτες συγκρούσεις στα 7 TeV στο CMS – 30 Μαρτίου 2010

32 Z →e + e − observation Z→ee candidate nb -1 #of candidate = 18 #of expected signal = 19 #of expected background = 0.8

33 2011 – 2012 Έρευνα για Higgs Παραγωγή του Higgs στο LHC

34

35 Για κάθε μάζα π.χ. M H = 125 GeV, γνωρίζουμε ακριβώς Το σχετικό ποσοστό των διαφόρων τρόπων διάσπασής του

36 Η ανακάλυψη του Σωματιδίου Higgs: Διάσπαση του Higgs σε δύο φωτόνια Το Higgs έχει μάζα: όσο περιπου ένας Πυρήνας Καισίου δηλ ~125 GeV Άτομο Καισίου: 55 ηλεκτρόνια

37 Higgs  ZZ  (e - e + ) (μ - μ + ) Η ανακάλυψη του Σωματιδίου Higgs Higgs

38 Higgs  ZZ  (ee) (μμ)

39 Higgs  ZZ  (μμ) (μμ)

40 Higgs  ZZ  (ee) (ee)

41 Θεμελιώδη ερωτήματα • Είναι τα μικρότερα σωματίδια που γνωρίζουμε στ’ αλήθεια στοιχειώδη – Σύνθετα quarks ? Leptons? • Πώς συνδέεται η ύλη μεταξύ της – Αλληλεπιδράσεις - Ενοποίηση; • Ποια είναι η προέλευση της μάζας; • Υπάρχουν μόνο τρεις χωρικές διαστάσεις; • Πού χάθηκε η αντιύλη; • Πού βρίσκεται η υπόλοιπη ύλη του σύμπαντος (Σκοτεινή Ύλη); • Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις; • Γιατί υπάρχουν τρεις οικογένειες σωματιδίων; • Γιατί υπάρχει αυτή η ιεραρχία στις μάζες; ?


Κατέβασμα ppt "Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωματιδίων Δρ. Θεόδωρος Γέραλης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ •"

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google