Введение в физику элементарных частиц Стандартная модель как

Введение в физику элементарных частиц. Стандартная модель как основа строения материи. С. В. Шматов Объединенный институт ядерных исследований shmatov@cern. ch ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ Европейская Организация Ядерных Исследований (CERN) 1 - 7 ноября 2009 года И. А. Голутвин, Эксперимент CMS, Москва, 24 ноября 2005 1

1. Что такое физика элементарных частиц? 2. Частицы и Силы (взаимодействия) в Природе 3. Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц • основные положения • недостатки 2

Что такое физика элементарных частиц ? ? ?

Физика элементарных частиц (физика высоких энергий) - раздел физики, изучающий свойства элементарных частиц и их взаимодействия Элементарные частицы – “фундаментальные” микрообъекты субъядерных размеров, из которых предположительно состоит вещество Вселенной. 4

Большинство элементарных частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарностинеделимости, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы” или фундаментальными. 5

Зачем нам нужно знать свойства элементарных частиц?

Из чего состоит наш МИР? Извечный вопрос: Почему разные вещи в нашем мире обладают схожими характеристиками? Что общего между ними? Логичный ответ: Потому что все в нашем мире состоит только из нескольких фундаментальных частей “кирпичиков” Природы “Фундаментальных" – это ключевое слово Это означает простоту и безструктурность – меньше этих “кирпичиков” ничего нет Вся история физики – это поиск истинной фундаментальности 7

Различные типы “кирпичиков” Природы Эволюция “кирпичиков” Природы Химические элементы “Зоопарк” cубатомных частиц Сера, Соль Ртуть Кварки Земля Воздух Огонь Вода Лептоны Электрон Протон 8

Частицы и Силы

Поиск фундаментальности: структура атома 1897: электрон (0. 511 Mэ. В) - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах (Джозеф Джон Томсон) 1911: открытие атомного ядра (Эрнст Резерфорд) 1919: протон (938. 3 Мэ. В ) - частица с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона (Эрнст Резерфорд) 1932: нейтрон (939. 56 Мэ. В ) - частица с массой, близкой к массе но не обладает электрическим зарядом протона, протон (Джеймс Чедвик) электрон нейтрон 10

*Единицы измерения в ФЭЧ Единица энергии: электрон-Вольт (э. В), т. е. энергию, которую получает электрон при прохождении между пластинами под напряжением 1 Вольт 1 э. В = 1, 602 × 10− 19 Дж = 1, 602 × 10− 12 эрг. Единица массы: э. В/с2 (E=mc 2) me = 0. 511 Mэ. В (9, 12× 10− 31 кг) mp = 938. 3 Мэ. В (1, 67× 10− 27 кг) В релятивистском случае (с=1): E 2 = p 2 + m 2 Кратные величина 103 э. В 106 э. В 109 э. В 1012 э. В 1015 э. В название килоэлектр онвольт мегаэлектр онвольт гигаэлектро нвольт тераэлектр онвольт петаэлектр онвольт Обозначение Дольные величина кэ. В ke. V 10− 3 э. В Мэ. В Me. V 10− 6 э. В Гэ. В Ge. V 10− 9 э. В Тэ. В Te. V 10− 12 э. В Пэ. В Pe. V 10− 15 э. В название миллиэлект ронвольт микроэлект ронвольт наноэлектр онвольт пикоэлектр онвольт фемтоэлект ронвольт обозначение мэ. В me. V мкэ. В µe. V нэ. В ne. V пэ. В pe. V фэ. В fe. V Естественная система единиц: ħ=c=1 11

*Энергетические масштабы процессов Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре 0, 025 э. В Энергия ионизации атома водорода 13, 6 э. В Энергия электрона в лучевой трубке телевизора Порядка 20 кэ. В Энергии космических лучей 1 Мэ. В — 1000 Тэ. В Типичная энергия ядерного распада: альфа-частицы 2 -10 Мэ. В бета-частицы и гамма-лучи 0 -20 Мэ. В 12

Поиск фундаментальности: исследование космических лучей 1932: первая античастица – антиэлектрона (Карл Андерсон), предсказанная релятивисткой электрона Вольфганом Паули (19281931) теорией 1936: мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона (105. 65 э. В), а в остальном удивительно близкие по свойствам электрона и позитрона (К. Андерсон и С. Недермайер) 1947: +/ - мезоны с массой в 274 электронные массы (139. 57 Мэ. В)м(С. Пауэлл), предсказанные в 1935 Хидэки Юкавой для объяснения взаимодействия нуклонов Конец 40 -х — начало 50 -х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных» (К+- и К-мезоны, L-, S+ -, S- -, X- ): p + p --> p + Λ + K+ (+ большое время жизни ~10 -10 с) 13

Размер объектов. Методы измерения Большой взрыв Инструменты Длина волны пробного излучения должна быть меньше размера объекта ускорители пучки частиц электронный микроскоп частицы SUSY? протон ядро атом вирус клетка радиус Земли расстояние до Солнца Радиоактивные источники имеют энергию порядка Мэ. В Для больших энергий требуются ускорители Наблюдаемые телескопы Галактики “микроскоп” “электронный глаз” Радио телескопы радиус видимой Вселенной 14

Поиск фундаментальности: эра ускорителей частиц С начала 50 -х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования ФЭЧ. В 70 -х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. На ускорителях были отрыты сотни элементарных частиц, среди которых антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960), разные типы нейтрино – электронное и мюонное (1962), резонансы (1962 -. . ), кварки, W- и Z-бозоны (1982) 15

Взаимодействия частиц: cилы в Природе Физика элементарных частиц изучает не только и не столько сами частицы, она изучает их взаимодействия. Другими словами через изучение закономерностей рождения и уничтожения элементарных частиц физики пытаются понять как устроена Природа, из чего состоит, откуда взялось окружающее нас вещество и почему оно обладает теми или иными свойствами. Как взаимодействуют частицы – как одна частица “чувствует” другую? Земная механика Всемирный закон тяготения Небесная механика + N S Электричество Магнетизм Inertial vs. Gravitational mass (I. Newton, 1687 ) Электромагнетизм электромагнитые волны (J. C. Maxwell, 1860 ) 16

Силы в Природе: электромагнитные взаимодействия 1900: квантовая природа испускания и поглощение электромагнитого поля (Макс Планк) 1839: наблюдение фотоэффекта (А. Беккерель), 1988 -1890 (А. Г. Столетов) 1905: объяснение фотоэффекта квантовая природа существования света (А. Эйнштейн) 1920 – начало 1930 х: квантовая теория электромагнитных взаимодействий – квантовая электродинамика (Дирак, Гейзенберг, Паули) 17

Силы в Природе: слабые взаимодействия 1920 е: гипотеза нейтрино (В. Паули) для объяснения эффекта потерь энергии -частицами — быстрыми электронами в процессах -распада атомов бета 1930 е: теория бета-распада (Энрико Ферми) 1956: открытие нарушения P-четности (предположение Ли и Янга) (Ву Цзяньсюн) в бета-распаде Сo 60, т. е. нарушение симметрии физической системы по отношению к зеркальному отображению (пространственной инверсии) 1964: открытие нарушение СP-четности (Кристенсон, Кронин, Фитч и Тёрлей), т. е. комбинированных двух симметрий (зарядового сопряжения и пространственной инверсии ) 18

Силы в Природе: сильные взаимодействия 1930 е: все ядра состоят из нуклонов – протонов и нейтронов Ни гравитационное, ни электромагнитное взаимодействия оказались не способны объяснить механизм удержания нуклонов в ядрах 1936: гипотеза Хидэки Юкавы о переносчиках нового типа взаимодействия (сильного) – пионах (открыты в 1947). 1964: гипотеза о кварковой природе адронов – частиц, участвующих в сильном взаимодействии (Гелл-Ман, Цвейг) 1967: гипотеза партонов – составляющих адронов (Ричард Фейнман), которая получила подтверждение в 1969 (скейлинг Бьёркена) 1972: пионы с большим поперечным импульсом (CERN ISR) 1973: гипотеза о переносчиках сильного взаимодействия – глюонов, создание квантовой хромодинамики (Гелл-Манн, Fritzsch) 19

Сильные взаимодействия: реальность кварков 1960 е: все многочисленные адроны подчиняются более-менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты 1969: открытие партонов (SLAC) 1974: открытие J/ -резонанса – связанного состояния c-кварка и с-антикварка (SLAC, Brookhaven) 1975: обнаружение струй – поток частиц, летящих в одном направлении в узком конусе (CERN-ISR) 1977: открытие b-кварка (Fermilab) струи p p 1995: открытие t-кварка (Tevatron, Fermilab) 20

Сильные взаимодействия: конфайнмент В КХД вместо электрических зарядов взаимодействия между кварками обусловлены свойством особого рода, который ученые назвали цветом. Он может иметь три значения или, если хотите, три оттенка. Ученые условно называют их красный, желтый и синий, но буквально эти термины понимать не следует. Чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее становятся связывающие их силы кварки не могут наблюдаться в свободном состоянии (конфайнмент) Что произойдет, если мы будем увеличивать расстояние между кварками? ~ ´r 21

Четыре типа взаимодействия (I) Гравитационное подвержены любые тела во Вселенной (элементарные частицы, планеты, звезды), имеющие массу Электромагнитное (переносчик – гамма-квант) • участвуют частицы, имеющие ненулевой электрический заряд • ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества – атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов; к ЭМ сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др. , определяет свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн Слабое (переносчики – W- и Z-бозоны) • участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки) • ответственно за “горение” звезд (последовательность термоядерных реакций) Сильное (переносчики - глюоны) • участвуют все фундаментальные фермионы (кварки) • -, - радиоактивность ? связывает нуклоны в ядре 22

Четыре типа взаимодействия (II) 23

Единая теория электрослабых взаимодействий 1968: единая теория электромагнетизма и слабых взаимодействий (Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам) 1973: наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия (CERN) 1983: открытие переносчиков взаимодействия – W и Z бозонов (80. 4 и 91. 2 Ge. V) (CERN) Шелдон Глэшоу Стивен Вайнберг Абдус Салам 24

“Зоопарк”частиц 60 -70: Прогресс в физике ускорителей, детекторов, экспериментальной технике Были открыты более ста различных “элементарных” частиц, участвующих в различных взаимодействиях Необходима была теория, которая объяснила бы весь этот “Зоопарк” Физики создали такую теорию: Стандартная Модель объяснила что есть мир and что удерживает его вместе. Простейшая и всеобъемлющая теория, описывающая всю структуру и иерархию частиц, их взаимодействия, на основании фундаментальных кирпичиков (кварков и глюонов) 25

Стандартная модель взаимодействий элементарных частиц: основные положения

Массовая иерархия частиц 27

Классификация адронов (I) Барионы (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков — красного, желтого и синего, — цвета которых взаимно гасятся. А мезоны — из пары «кварк + антикварк» , поэтому они тоже бесцветны. 28

Классификация адронов (II) Все частицы могут быть собраны в группы (мультиплеты) – мезонный октет (s=0) мезонный нонет (s=1) гиперзаряд = B +S + C+B +T (сумма барионного числа и ароматов) = 2 (Q-IZ), IZ – квантовое число, определяющее число зарядовых состояний адронов 29

Классификация адронов (III) барионный октет (s= ½) барионный декуплет (s=3/2) 30

Взаимодействие частиц материи в СМ Electroweak Electromagnetic e + q - e q e+ e+ Charged e - e u W d e- ne ne Neutral e Zo - e e+ - e -2 Range ∞, relative strength ≤ 10 u d q e+ + W - Strong Weak q ee+ q q e- -14 Range ~10 -18 m, relative strength 10 q' g g Zo e- q' g q' q' g g g 16 g g g Range ~ 10 -15 m, relative strength = 1 Силы – цементирующие фундаментальные “кирпичики” Природы Три взаимодействия из четырех могут быть объединены на единых принципах в Стандартной Модели – слабое, электромагнитное и сильное В этой картине нет гравитации – мы не знаем как добавить ее! 31

Стандартная модель взаимодействий элементарных частиц (СМ) прекрасно согласуется с экспериментом ( «апофеоз» : открытие Z 0 и W± в 1983 г. в ЦЕРН на SPS) 32

Стандартная Модель взаимодействий • 6 лептонов (наиболее известный лептон – электрон) • 6 кварков • Частицы – переносчики силы (фотон, Z и W бозоны, глюоны) • Поле Хиггса дает массу всем частицам Стандартная Модель – замечательная теория: Эксперименты полностью подтвердили ее предсказания с изумительной точностью, все частицы, предсказанные этой моделью были обнаружены Существует только одно исключение: Бозон Хиггса еще не найден… 33

Бозон Хиггса Предложен Питером Хиггсом в 1964 г. : частицы приобретают массу в результате взаимодействия со скалярным полем mf ~ y Хиггс на CMS аналогия: объект в вязкой среде (пенопластовые шарики в воде) 34

Стандартная модель взаимодействий элементарных частиц: основные трудности и недостатки

Три поколения лептонов Кварки и лептоны объединены в различные наборы, названные поколениями материи. Три поколения выстроены в порядке возрастания масс, входящих в них частиц Но: Почему три? Вся видимая материя Вселенной состоит из трех поколений частиц материи : up кварка, down кварка и электронов. Зачем нужны остальные два поколения? 36

Материя и Антиматерия В Стандартной Модели для каждого типа частиц материи существуют соответствующие частицы антиматерии Железное правило: частицы материи и антиматерии рождаются и уничтожаются вместе, в парах Вопросы: • Если антиматерия и материя включены в Стандартную Модель на равных основаниях, то почему во Вселенной материи намного больше антиматрии? (СP-нарушение? ) • Или: почему материя и антиматерия не аннигилировала взаимно на ранних стадиях Эволюции Вселенной? 37

История объединения сил Земная механика Всемирный закон тяготения Небесная механика N Электричество + S Магнетизм ne p n e - ? Электромагнетизм Слабые силы инерционная масса vs. гравитационная (I. Newton, 1687 ) Электромагнетизм электромагнитые волны (J. C. Maxwell, 1860 ) Электослабые взаимодействия промежуточные бозоны W, Z (1970 -83 ) Объединенное описание С. В. Шматов, Введение в CMS, CERN, 30 октября 2008 38

Объединения трех сил Давайте увеличим энергию Что мы видим? С энергией: слабые силы становятся сильнее, сильные силы становятся слабее Что может быть при энергиях выше 1016 Гэ. В? ТВО – Теория Великого Объединения ЕТО – Единая Теория Объединения Теория Струн… Что-то еще? 39

Темная материя во Вселенной Наблюдая структуру нашей Вселенной – галактики, скопления галактик и т. д. , мы можем сделать вывод о закономерностях гравитации: обычной материи не достаточно для воспроизведения подобной существующих структур и законов движения материи в них Темная материя (25%) – это вид материи, невидимый для нас Мы определенно знаем, что она не может состоять из протонов, нейтронов и электронов. Мы можем оценить, что обычная материя составляет только 4% от всей гравитирующей массы материи Тогда, что такое темная материя? Мы пока не знаем. Мы можем только предложить несколько механизмов для этого (LSP? ), но мы не можем сделать выбор между ними. 40

Зачем нужны новые ускорители и новые эксперименты? Являясь выдающимся событием на долгом пути поиска истины, Стандартная Модель взаимодействий тем не менее бессильна ответить на ключевые вопросы: • Происхождение массы фундаментальных “кирпичиков” (кварков, лептонов) • Почему существует три поколения частиц материи • Причины доминирования материи над антиматерией и образования наблюдаемой структуры Вселенной • Источник темной материи во Вселенной • Возможность унификации трех сил И сверх всего, что делать с гравитацией? Мы надеемся получить ответы на эти вопросы хотя бы частично с помощью ускорителей нового поколения 41

История ускорителей частиц 42 42

Параметры действующих коллайдеров: ep, ppbar HERA (DESY) Соударяющиеся частицы Максимальная энергия пучка, Тэ. В Светимость (1033 см-2 с-1 1) Длина окружности, км ep SPS (CERN) p-pbar Tevatron (Fermilab) p-pbar LHC (CERN) pp e: 0. 030 p: 0. 920 0. 315 1. 0 7. 0 14 6 210 104 6. 336 6. 911 6. 28 26. 659 Светимость ускорителя L – количество соударений за единицу времени на единицу площади. Тогда количество событий Ni определенного типа i (с сечением σi и эффективностью регистрации εi) за время T равно: Ni=L x σi x εi x T L x T – интегральная светимоcть за определенное время работы (размерность в обратных см-2, либо барн-1). 43

Наблюдаемая материя ? Шкала Вселенной

Чем больше энергия, тем меньше расстояния вглубь истории Вселенной

За 100 лет – история Вселенной 46

Дополнительные слайды

Электромагнитные взаимодействия

Поиски фундаментальности Структура материи, как мы ее сейчас понимаем: На всех уровнях, от галактик до горных вершин и далее, вплоть до молекул – все сделано из кварков и лептонов Физика прошла длинный путь, чтобы понять это!

Частицы и силы Leptons Strong Electric Charge Tau -1 0 Tau Neutrino Muon -1 0 Muon Neutrino Electron -1 Electron Neutrino 0 Quarks Gluons (8) Electromagnetic Photon Quarks Mesons Baryons Nuclei Atoms Light Chemistry Electronics Weak Gravitational Electric Charge Bottom Strange Down -1/3 2/3 Top -1/3 2/3 Up Bosons (W, Z) Charm -1/3 2/3 Graviton ? each quark: R, B, Solar system Galaxies Black holes G 3 colors The particle drawings are simple artistic representations Neutron decay Beta radioactivity Neutrino interactions Burning of the sun

Что удерживает материю вместе? Силы – цементирующие фундаментальные “кирпичики” Природы Три взаимодействия из четырех могут быть объединены на единых принципах в Стандартной Модели – слабое, электромагнитное и сильное В этой картине нет гравитации – мы не знаем как добавить ее!