E - Studentportalen

Föreläsning 5 Krafter; stark, elektromagnetisk och svag. ●

Partikelfysik introduktion

●

Antimateria, MP 13-1

●

Feynman diagram

●

Krafter och växelverkan, MP 13-2

Se även http://ParticleAdventure.org/ Föreläsning 5 (k&p)

1

Föreläsning 5 (k&p)

2

Föreläsning 5 (k&p)

3

Mot alla konstens regler, startar med sammanfattning

En liknande tabell över fermionernas anti-partiklar (”anti-fermioner”). Dessa är identiska med fermionera förutom att de har motsatta kvanttal (t.ex. laddning)

3 familjer/generationer

Föreläsning 5 (k&p)

4

●

●

●

●

Fermion: En partikel som följer Fermi-Dirac statistik. Partiklar med spin=1/2 är fermioner (e,p,n..) Boson: En partikel som följer Bose-Einstein statistik. Partiklar med heltaligt spin är bosoner (, gluoner, ...) Växelverkan: utbyte av energi och rörelsemängd mellan partiklar samt möjlighet att skapa eller förinta (annihilera) partiklar. Reell partikel: En partikel med total energi E och rörelsemängd p som tillfredsställer ekvationen:

E=  p c ²m0 c²  ² ●

(1)

Virtuell partikel: en partikel som har en sannolikhet att existera inom Heisenbergs osäkerhetsrelation

 E t ≃ ℏ , men som inte uppfyller energivillkoret (1) ovan. Föreläsning 5 (k&p)

5

Antimateria ●

Paul Dirac tolkade 1928 de negativa energier som fås vid rotutdragning av 2

E = p c ²m0 c²  ²

E=±  p c²m0 c²  ² som ett "hål" i en sjö fylld av elekroner

-

reella elektroner

+mec2 -mec2

Föreläsning 5 (k&p)

E()>2mec2

+

sjö med elektroner

6

Materia och antimateria förintas i möte med varandra e+ + e- ➔  , Q=2 · 511 keV=1.022 keV 

e+

e-



Föreläsning 5 (k&p)

Upptäckt: e positron p antiproton 3 Heantiheliumkärna H antiväteatom

1932 1955 1972 1995

Kosmisk Accelerator, USA Accelerator. USSR CERN. Schweiz

7

Partikelkollision med vätekärna i Bubbelkammare Föreläsning 5 (k&p)

8

Feynmandiagram ●

Richard Feynman hitta på ett praktiskt sätt att beskriva elektromagnetisk växelverkan mellan partiklar som nu används vid visualisering av all kvantfältteori. t

e

e E1

t

1

e

E1

E2

√

 2

ℏ E  t E2 e

Coulombrepullsion Föreläsning 5 (k&p)

Under t finns överskottsenergi i systemet. Fotonen mellan 1 och 2 är virtuell. Överskottsenergin E = E

x

9

Punkterna 1 och 2 i diagrammet kallas vertex och sannolikheten för att processen skall ske (kopplingskonstant) beror i första hand av vilken styrka växelverkan har. Mellan 1 och 2 propagerar kvantat som överför den växelverkande kraften. Ex:  e

e

 e Comptonspridning Föreläsning 5 (k&p)

10

Krafter ●

I dag känner vi fyra fundamentala krafter

Föreläsning 5 (k&p)

●

Stark kraft

●

Elektromagnetisk kraft

●

Svag kraft

●

Gravitation

11

Föreläsning 5 (k&p)

12

Stark kraft •

Den starka växelverkan sker mellan kvarkar och är därmed orsaken till att nukleonen hålls ihop. Kvantat för den starka kraften heter gluon. Partiklar som växelverkar genom stark kraft kallas Hadroner (och består därför av kvarkar). Partiklar som består av två kvarkar kallas Mesoner: q1 q2 Ex. + : ud , -: ud, 0: (uu-dd)/√2. K+: us , D-: cd, Ds+: cs, B-: ub Partiklar som består av tre kvarkar kallas Baryoner: q1q2q3 Nukleonerna (n och p) är baryoner Ex. p: uud, n: udd, p: uud

+: uus, 0: uds , -: dds 0: uss, -: sss, c+: udc, b0:udb

Föreläsning 5 (k&p)

13

•

Även den starka kärnkraften som sker mellan nukleoner är stark växelverkan. -mesonen förmedlar kraften under den korta tid Heisenbergs osäkerhetsrelation tillåter.

•

Starka kraften har kopplingskonstanten s .(Relativ styrka =1)

n 0

n Föreläsning 5 (k&p)

n

n

n



p

p

n

14

–

Kvanttalet för stark växelverkan heter färg (color). Alla kvarkar kan anta en av tre färg kvanttal (röd, blå och grön). På samma sätt som uteslutningsprincipen säger att spin-1/2 partiklar inte kan besätta samma kvanttillstånd så kan inte samma färg ingå två gånger i en Hadron. Alla partiklar som existerar i naturen är färglösa. Detta är en av hörnstenarna i Kvant Kromodynamiken (QCD)

ex. Proton

p u-kvark, q=+2/3

Föreläsning 5 (k&p)

d-kvark, q=-1/3

15

Elektromagnetisk kraft ●

●

Den elektromagnetiska växelverkan sker mellan laddade partiklar. Partikeln som förmedlar den elektromagnetiska kraften är fotonen. Räckvidden för den elektromagnetiska växelverkan är oändlig. Kvant elektrodynamiken (QED) beskriver den elektromagnetiska kraften och är antagligen den mest testade teori i världen. Elektromagnetiska kraften har kopplingskonstanten  EM. (Relativ styrka =1/137)

 EM

Föreläsning 5 (k&p)

e2 = 4  0 ℏ c

16

Svag kraft ●

Neutriner växelverkar enbart via svag växelverkan som är för svag att märkas då laddade partiklar växelverkar. Vid neutrinoväxelverkan är endast svag växelverkan möjlig. Kraften förmedlas av W+, W- och Z0 bosonerna som är mycket tunga. W±:

mWc2

Z0:

mzc2

= 82 GeV = 91 GeV

}

e

e -

W

e Föreläsning 5 (k&p)

upptäcktes av C. Rubbia CERN 1981

p

n

W+

eller e

p

n

17

Svaga kraftenhar p.g.a. bosonernas höga massa en mycket kort räckvidd.

E = E K mW c

2

ℏ ℏ ℏ 2 t  =  c 2 E mw E K mw c

ℏc 2  s=s c t  c = 2.5⋅10−3 fm mw

400 ggr mindre än protonens storlek

Svaga kopplingskonstanten w. (Relativ styrka ~10-5)

Föreläsning 5 (k&p)

18

n ➔ p + e- + e

e-

p W-

w

e

w Beta sönderfall

n Neutrala strömmar

●

e

p+e➔p+e p + e ➔ p + e p

e /Z0

0

Z

e

p

p

e

p

Växelverkan mellan e och p sker genom en kombination av elektromagnetisk kraft + svag kraft = elektrosvag växelverkan Föreläsning 5 (k&p)

19

Gravitation ●

Alla partiklar med massa växelverkar via gravitation. Gravitationen förmedlas av kvantat graviton som antas vara masslös. I likhet med den elektromagnetiska växelverkan är gravitationens utbredning oändlig. Gravitationen är mycket svag i förhållande till de övriga krafterna med relativ styrka 1038 .

Föreläsning 5 (k&p)

20