Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωματιδίων ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» 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 Παρουσίαση για τους μαθητές του MasterClass2013 8 Μαρτίου 2013

Από τι είμαστε φτιαγμένοι; mainly water (H2O) Πολύ Οξυγόνο (Οξείδια) 96% άγνωστο που βρίσκεται H unknown C O waterstof en helium

Ιστορική Αναδρομή (I) 1897 Ηλεκτρόνιο (Ανακάλυψη απο J.J. Thomson: εκπομπή από πυρακτωμένο νήμα) 1909 Πυρήνας (ανακάλυψη Rutherford) 1900 – 1924 Φωτόνιο (Planck, Einstein, Millikan, Compton) 1927 Dirac υπόθεση για ύπαρξη αντι-ηλεκτρονίου (ποζιτρονίου) 1930 Ποζιτρόνιο 1932 Νετρόνια (Chadwick) 1934 Έρευνα για τον μεσάζοντα της Ισχυρής Αλλ/σης (Yukawa particle) 1937 Μιόνιο (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 1947 Πιόνιο ( Yukawa particle – Powel et al. Bristol) 1947 Παράξενα σωματίδια σε κοσμικές ακτίνες (Καόνια: Κ0π+π-) 1955 Νετρίνο (Reines, Cowan – Savannah river Nuclear Reactor) Υπόθεση ύπαρξής του από διάσπαση – β (3-body decay) 1955 Αντιπρωτόνιο

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

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

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

Τα Μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ Το π+ (πιόνιο) έχει Φορτίο +1 Το π- (πιόνιο) έχει Φορτίο -1 +⅔ -⅔ +⅓ -⅓ Το π0 (πιόνιο) έχει Φορτίο 0 -⅔ +⅔

Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων (’70) 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 Νετρίνο Μιονίου Ηλεκτρονίου -1 Bottom Strange Down Top Charm Up 2/3 -1/3 καθε κουάρκ: R , B G 3 χρώματα Ηλεκτρικό Φορτίο Λεπτόνια ? ? ? ? ? ? ? ?

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. 4η Ιουλίου 2012: Λείπει μόνο το Σωμάτιο Higgs

Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωματιδίων γ g 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 Νετρίνο Μιονίου Ηλεκτρονίου -1 Bottom Strange Down Top Charm Up 2/3 -1/3 καθε κουάρκ: R , B G 3 χρώματα Ηλεκτρικό Φορτίο Λεπτόνια 3η Οικογένεια 2η Οικογένεια 1η Οικογένεια

Διασπάσεις σωματιδίων– Ασθενής Αλληλεπίδραση β-διάσπαση

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

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

Οι τέσσερις Θεμελιώδεις δυνάμεις Σχετική ισχύς Ηλεκτρομαγνητική δύναμη 1/137 1 Ισχυρή Πυρηνική Δύναμη ; 1/1000000000000000000000000000000000000000 1/100000 ~10-39 Ασθενής Πυρηνική Δύναμη Βαρύτητα

Η Μεγάλη Έκρηξη 0.0000000001 second Σωματιδιακή Φυσική 1 second 300000000 years ago 0.0000000001 second 1 second Σωματιδιακή Φυσική

Ενοποιεί Ηλεκτρομαγνητική και Ασθενή δύναμη  Ηλεκτρασθενή 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

Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbors. The ex-Prime Minister enters and crosses the room. All of the workers in her neighborhood are strongly attracted to her and cluster round her. As she moves she attracts the people she comes close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal, that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving again because the clustering process has to be restarted. In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion - the clustering of the field around the particle - generates the particle's mass. The idea comes directly from the physics of solids. Instead of a field spread throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms. When an electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free electron. The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless.

ΣΥΜΜΕΤΡΙΕΣ Συμμετρίες: Εξαιρετικά σημαντικός ρόλος στη Θεωρητική Φυσική Θεώρημα της Noether: Συμμετρία  Νόμος Διατήρησης Χωρικής μετατόπισης Διατήρηση Ορμής Χρονικής μετάθεσης Διατήρηση 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

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 = 1 159 652 188.4(4.3) x 10-12 α(e)theory = 1 159 652 187.9(4.3) x 10-12  Παράδειγμα προς μίμηση !!! Ποιά είναι τα χαρακτηριστικά της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης που πρέπει να αντιγράψουμε και στις άλλες Αλληλεπιδράσεις;;; δηλ. την Ασθενή και την Ισχυρή ;;;

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 Βαθμίδας Επιβολή Αλληλεπίδρασης (του φορτίου q με το πεδίο Α δηλαδή με το φωτόνιο !)

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

CERN Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. Ο ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ LHC Γιατί χρειαζόμαστε Επιταχυντές; Παραγωγή νέων σωματιδίων με μεγάλη μάζα: 2) Μεγάλη Ενέργεια  μικρό μήκος κύματος  καλή διακριτική ικανότητα LHC CERN Site (Meyrin) SPS LHC ~GeV 1fm = 10-15m

Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων p g πρωτόνιο Παράγονται σωματίδια και αντισωματίδια E = mc2 Η διαθέσιμη ενέργεια είναι 7-8 TeV !!! (2010 – 2012) ή περίπου 7000 μάζες πρωτονίου Η τελική ενέργειά του θα είναι 14 TeV (2014)

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)

Το Πείραμα CMS

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

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

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

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

Πρώτες συγκρούσεις στα 7 TeV στο CMS – 30 Μαρτίου 2010

Z →e+e− observation #of candidate = 18 #of expected signal = 19 #of expected background = 0.8 52 nb-1 Z→ee candidate

2011 – 2012 Έρευνα για Higgs Παραγωγή του Higgs στο LHC

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

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

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

Higgs  ZZ  (ee) (μμ)

Higgs  ZZ  (μμ) (μμ)

Higgs  ZZ  (ee) (ee)

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; ?