Microsoft PowerPoint - lecture6.ppt

תמליל

1 ה חלקיקי ם יסודי ים וק וסמולוגי ה חלקיקים יסודיים הכוחות הי סודיים בטבע פוזיטרון ואנטי-חלקי קים אחרים מזונים תחילת פיסיקת החלקיקים דיאגרמות פיhנמן מיון סוגי החלקיקים חוקי שימור חלקיקים מוזרים קוורקים מודל הסטנדרטי Lecture 6 קוסמולוגיה התפשטות היקום שאלות בלי תשובות

2 חלקיקים יסודיים עד 1930 מדענים חשבו שכל החומר מורכב מאלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים. אחרי 1940 גילו 10-6 s 10-3 s - חלקיק ים חדשים (300 ) עם זמן חי ים קצר מאוד ב טו ו ח בין מה ו ה ה סבר? תמ ונ ה- חלקיקים חדשים שמתק ב לי ם בהתנגשו ת בי ן שני גרעיני זהב בע ל י אנרגיה 100. GeV (gauge bosons) הכוחות היסודיים בטבע האי נטר אקצי ה בי ן חלקיק ים מת בצע ת בא מצעו ת חל קי קי שדה בוזונים (ספין שווה 1)

3 משו וא ת שרדי נגר עבור חלק יק ים ) p ) m פוזיטרון ואנטי-חלקיקים אחרים E p c + ( mc (E פרמי ונים יחס ות יים הפי תר ון ש ל מש וו את שרד ינגר נות ן גם רמת אנרגיה שלי ל י ת ו לכן א לק טרו ן עם אנרגיה חיו בי ת צריך לעב ור לר מ ה ה זא ת ול פ לו ט פו טו ן. אבל בני סו י ל א מקב לים פו ט ונים. לכן לא לק טרונ ים הא ל ה הים ש ל דיר ק הציע ש כל הרמ ו ת עם אנרגיה של יל י ת ת פו סו ת וק ורא ים דירק. אנו ל א מ סוגל ים ל ראו ת א ת הא לק ט רונים הא ל ה כי כל הרמ ו ת ת פו סו ת. אב ל אם יש מ ספי ק אנרגיה להע ביר א לקטר ון מרמ ת אנרגי ה שלי ל י ת לר מ ת אנ רגיה חיוב ית נש א ר חור בים אלק טרו ן עם מט ען חיוב י. 193 המדע ן קרינ ה מהח ל ל. לחלק יק ים בוז ונים). לחלק יק אנט י-אלק טרו ן Anderson מצא א ת הפו זי טרו ן במחקר עם דירק. החור הז ה מ תנ הג כמו קורא ים פוז יטר ון. גם לכל חלקי ק א ל מנטר י אחר יש אנ טי-חלקיק יצירת פוזיטרונים: - e γ + γ e + + השמדה : - e γ + γ e + + : PET שימ וש Positron Emission Tomography (גם ב-

4 לפנ י מזונים תחילת פיסיקת החלקיקים : 1930 א לק טרו ן, פרוט ון, נו יט רון, נוי טר ינו, פו זי טרו ן ופ וט ון. אבל לא היה הסבר לכוח הגרעיני. ב Yukawa מצא מודל כוח גרעיני שיש בו חלקיקים חדשים שמעבירים את הכוח גרעיני בין נוקליאונים בגרעין. הוא הציע שכוח הגרעיני פועל אפוף למסה של של חלקיקים שנקראים : מזונים ו המסה של מזון צריכה להיות 00 מסות של אלקטרון. במחקר של קרינה מהחלל גילו שיש שלושה סוגים של מזונים שנקראים pi meson (פיונים):. - - אנטי-פיון, 0, +, חלקיקים פי ו נ ים m + m MeV ; c m MeV c µ + ν τ.6 10 τ הפי ונ ים וה מזונ ים הם לא יצ יבים מיואון (muon) יש מיואון - µ ואנטי-מיואון µ µ e + ν + ν המסה של מיואון היא 106 MeV/c אנטי-נויטרינו s s

5 מ'' דיאגרמות פינמן פיינ מ ן מצא ש האי נטראקצ יה ב ין חל קיק ים אמי ת יים מת בצע ת על-ידי חלקיק ים ויר טו אל י ים: החלקיק ים נוצרים ונע למ ים בריק. בדיאגרמ ת פ יינ מן האי נטר אקצי ה מ תרחש ת בפרק ז מ ן שוו ה ל- 0. האנרגי ה במערכ ת שמ ורכב ת מ- אלק טר ונים במנוח ה שו וה ל- של ה מערכ ת שו ו ה ל: הפו טו ן ה יא m. m e במ שך ה אינ טראקצ יה האנ רגיה c, Eħ/(t) m, e אבל חוק ש ימ ור ה אנרגיה עדי ין ק יים כי אי-ה וודא ו ת ב אנרגיה ש ל c +hf יותר גדול ה מאשר האנרגי ה של הפ וט ון. 10 אפשר לחשב את מסת הפיונים שמעבירים כוח גרעיני בין פרוטון ונויטרון בתוך הגרעין. מסה של פיון E R לכן אי-הוודאות באנרגיה במערכת שמורכבת מ- פרוטון, נויטרון ופיון: E כדי E m c R היא: לאפשר לפיון להיות בזמן t h אינטראקציה חלשה אינטראקציה חזקה t E V R c m c 100 MeV; d h m c m c h ( d / c) -15 h ; t hc d J 1983 Rubin: גילוי בוזונים Z 0 שנוצרו כחלקיקים אמיתיים באינטראקציות בין חלקיקים בעלי אנרגיות גבוהות כי טווח האינטראקציה החלשה הוא רק fm אינ טראקצ יה א

6 מיון סוגי החלקיקים את כל החלקיקים אפשר לחלק לשני סוגים: הדרונים ולפטונים. הדרונים משתמשים בכוח החזק (גרעיני).הדרונים: מזונים ובריונים. מזונים: ספין 0 או 1. המזונים לא יציבים ומתפרקים בפרק זמן קצר ל: אלקטרונים, פוזיטרונים, נויטרינים ולפטונים. בריונים: לחלקיקים האלה מסה גדולה או שווה למסה של פרוטון וספין \1 או \3. הבריונים גם לא יציבים ומתפרקים בסוף לפרוטון. מודלים מודרניים: הבריונים לא חלקיקים יסודיים והם מורכבים מקוורקים. לפטונים: לחלקיקים האלה יש ספין \1 והם מגיבים באמצעות הכוח החלש ויש רק שש לפטונים: אלקטרון, מיואון, טאו, ושלושה זוגות נויטרינו.

7 חוקי שימור שימור המספר הבריוני : אם בריאקציה מקבלים בריון באותה ריאקציה מקבלים גם אנטי-בריון. לכן לכל החלקיקים יש מספר בריוני: חלקיקים אחרים 0B. דוגמה: עבור בריונים 1B, p + n p+ n+ p+ e p e עבור אנטי-בריונים 1-B ועבור אבל יש מודלים מודרניים שבהם המספר הבריוני לא נשמר. שימור מספר הלפטונים: יש שלושה חוקי שימור לכל סוג לפטונים. 1. לכול ריאקציה גרעינית או התפרקות סכום המספרים לפטונים לפני ואחרי הריאקציה נשמר. L. e המספר הלפטוני עבור המספר הלפטוני עבור אלקטרון ונויטרינו אלקטרוני הוא 1 -e L ולכל החלקיקים האחרים המספר הלפטוני הוא. 0 פוזיטרון ואנטי-נויטרינו הוא 1- µ e µ + ν + ν µ µ µ n p+ + גם עבור תהליך התפרקות של מיואונים 1 L For µ and ν : L + 1; For µ and ν : המספר הלפטוני נשמר: e µ + ν חלקיקים מוזרים במחקר של קרינה מהחלל גילו שבהתנגשות בין פרוטון ופיון יש יצירת קאון K, למדה Λ וסיגמה. Σ המו זר ה יה ש החלק יקים ה אל ו נוצר ים רק בזוג: + p K 0 +Λ 0 וגם מקבל ים את החלקי קים המוזרים באמצעות ריאקציות עם כוח חזק אבל החלקיקים האלו דוחים חלקיקים שמתנגשים עם כוח חלש. לכן יש עוד מספר קוונטי: מוזרות S. בריאקציה שבה חלקיקים מוזרים לחלקיק אחד יש 1 S ולחלקיק השני 1-S. לכל החלקיקים האחרים 0S. לכל ריאקציה גרעינית או התפרקות שפועלות באמצעות הכוח החזק מספר המוזרות נשמר.

8 חיפוש חלקיקים חדשים עד היום נמצאו כבר יותר מ- 100 חלקיקים: איך לעשות סדר בחלקיקים ב גל-מן בנה טבלה לחלקיקים לפי מספרי מוזרות ומטען. (כמו בטב ל ה מחז ורי ת)? ) שי לפ טונ ים קוורקים - חלקיק י ם נקודת יים, חסרי מבנה פנ ימ י. ברי ו נים חלקיק ים שי ש להם מבנ ה פנ י מי יותר מ 100 בריונים שונים וחלק מהם (מתפרקות)? לבריונים אחרים. ב גל-מן בנה מודל למבנה של הדרונים באמצעות חלקיקים קוורקים. יש שלושה סוגי קוורקים:.(u) up,(d) down, and (s) strange המטען של הקוורקים s ו- d שווה ל- 3/e- והמטען של הקוורק u שווה ל- 3/e+. לכל קוורק יש אנטי-קוורק. הספין של קוורק שווה ל- 1\ הקוורקים הם פרמיונים.

9 רק ומאנטי -קוורק: סך-הכול מספר בריוני שווה ל-. 0 לושה קוורקים. ב משלושה אנטי-קוורקים. יעי: charm עם מטען 3/e+. גם מספר קוונטי חדש:. C עבור שלושת הקוורקים הראשונים 0S ועבור ה ש -1.S ב- 1975, , גילו שיש יותר קוורקים: חמישי ושישי bottom) (top and עם מסה

10 קוורקים המצב הנוכחי: יש שישה קוורקים ושישה לפטונים ביחד עם האנטי-חלקיקים שלהם וארבעה חלקיקי שדה. אבל עדיין לא מצאו קוורק בודד וחושבים שקוורקים נמצאים רק בתוך חלקיק בודד בגלל הכוח הגרעיני החזק. בניסויים עם אנרגיות גבוהות רוצים לקבל פלסמה שמורכבת מקוורקים חופשיים. בשבי ל ל הס ביר מ דוע יש חלק יק ים שמורכב ים מקו ור קים פרמי ונ ים עם אותו ספין (בנ יגוד לע י קרון גילו שי ש מט ען צ בעי עבו ר קוו רקים (אדום, פ או לי): ירוק וכחו ל) צבע עבור קו ורק הוא כ מו מ ספר ק ו ונט י. הי ות ולכ ל קו ורק יש של וש ה צבעים משת מש ים היום ב- 9 קו ורקים וב ש בי ל לה סב יר הא ינט רא קציה ב ין ה קו ורק י ם ישנה ה תור ה: Quantum Chromodynamics הנוקליאונים מורכבים מקוורקים. הקוורקים בתוך נוקליאון מחליפים ביניהם גלואונים פולטים ויוצרים. במרחק בין נוקליאונים ( 1fm) קוורקים וגלואונים מוחלפים בין גרעינים כוח גרעיני.

11 מ'' המודל הסטנדרטי היום מדענים חושבים שיש רק 3 סוגי חלקיקים אלמנטריים: לפטונים, חלקיקי שדה וקוורקים. קוורקים ולפטונים הם פרמיונים (ספין \1) וחלקיקי שדה הם בוזונים (ספין 1). הכוח החלש מועבר באמצעות בוזונים - W. Z 0 W, +, לחלקיקים האלה יש מטען חלש כמו שלקוורקים יש צבע. לכן לחלקיקים אלמנטריים יש מסה, מטען חשמלי, מטען צבעי ומטען חלש. ב Glashov, Salam and Weinberg מצאו תורה שמסבירה את הקשר בין תורה אלקטרומגנטית ואינטראקציות חלשות:. Electroweak theory התורה הזאת טוענת שהכוח הא והכ וח החלש שווים אחד לשני בטווח האנרגיות הגבוהות. התורה נותנת מסות של בוזונים - W Z 0 W, +, קרובות למסות שמקבלים בניסויים. הקומבינציה של התורות Electroweak and Quantum Chromodynamics זה המודל הסטנדרטי. Standard Model אבל עדיין יש שאלות, למשל הפוטון והבוזונים Z ו W מעבירים אינטראקציה חלשה. מדוע לפוטון אין מסה ולבוזונים יש מסה? בשביל להסביר את מסת הבוזונים צריך להיות עוד חלקיק Higgs boson אבל מסת ה- Higgs boson היא 1 TeV ולכן צריכים קוורקים עם אנרגיות גבוהות מאוד. רק במאיץ (collider) המודרני בג'נבה אפשר לעשות ניסויים כאלה.

12 קוסמולוגיה תור ת ה- Bang Big אומ רת ש לפנ י 10-0 מי לי ארדי שנים הי ה ה מפץ הגדול שבנה ק וורק-גלוא ון פ לס מה. T 10 3 o K T 10 9 o K T o K T 10 4 o K היקום מורכב מ: 10 % He + H 90%, כמויות זעירות של.Li, O שאר היסודות נוצרו בתוך הכוכבים. קרינת הרקע הקוסמ ית (CBR- Cosmic Background Radiation) ב מדענים מחברת ב ל בא ופ ן אקראי הגיעה רק ע של קרינ ה עם אורך גל 7.35 מ'. הקרינה הגיעה עם אותו הספק מכל הכיוונים ביקום. לכן קרינה אחידה קיימת בכל היקום: זה מה שנשאר מה-. Big bang הטמפרטורה של הקרינה (התפלגות קרינה באורך גל כמו גוף שחור) שווה רק ל K

13 התפשטות היקום ב- 191 המדען Sllipher מצא באמצעות אפקט דופלר λ שגלקסיות מתרחקות במהירות V c 10 8 cm/s λ ב- Edwin Hubble 190 מצא שכל היקום מתפשט ומהירות ההתפשטות תלויה במרחק מהכדור שלנו: מרחק V HR; 1Mpc 10 6 H pc m / s / ly 70± 1.km / s / Mpc ההתפשטות איזוטרופית (אחידה בכל כיוון) ההתפשטות הומוגנית (אחיד בכל מקום) אפשר לחשב א ת גיל הי קום: בתחי ל ת ה יקום כש- קבוע ה ב ל t R V R RH 1 H years ly, T. ρ הצפי פו ת ו הט מפר טור ה של החו מר: 0 t הט מפר טור ה ו הצפיפ ות ק טנ ו ונוצר ו פרוט ונים + הרכיב ו אט ומ ים ו אטו מ ים הרכיבו מ ול קו לו ת. במשך ה הת פשט ו ת נויטר ונים שיצרו גרעינ י ם וגרעינים + אלקטרונ ים עד years היקום היה מיונן וקרינה לא יכלה לצאת מהיקום. רק אחרי years כשהצפיפות יורדה ו- T < K היקום התחיל להיות שקוף לקרינה והאפשר הרכבה של אטומי מימן.

14 3 התפשטות היקום האם היקום י ת פשט לעד? יש נת ונים שק ובע י ם שהתפש טו ת הי קום הי ת ה יו תר מ היר ה קודם ו לכן חישבו ש מה יר ות ה הת פשט ו ת קטנ ה כוח המשיכ ה בי ן גלק סי ות ב יק ום מא ט את קצ ב הה ת פ שטו ת. מ ה צריך ע ל מנ ת לעצור א ת הה תפ שט ות? נניח שיש כדור ע ם רדיוס R וחלק גדול מהגל קס יו ת נ מצא ב תוך הכד ור בעל מ ס ה M. רק חלק קט ן מ הגלקס יו ת נוצר ות בכד ור ומ תפש טו ת עם מה ירו ת V ובמרחק הם נוצרו ת א ם סכום האנרגיו ת הקינ טי ת והפ וט נציא ל ית ש וו ה לא פס ב מערכ ת הכדור-גלקסי ות המב ודד ת ה זא ת. לפ י חוק גאוס: של ה מערכ ת כדור-גלקסי ו ת. צפיפו ת ממ וצע ת של ה יק ום -7 רק מסו ת ב תוך הכדו ר תור מו ת לאנרגי ה פו טנציא ל י ת mv Etotal K+ U 4 3 Gm ρr mv 3 R 3H ρcr G 30 GmM R g/cm 3 ; m 0 3V ρ 8GR H ; ρ Hubble's law : kg ρ cr V R H 3 atoms H/m אם ρהיקום ρ< cr סגור יקום מחזורי.

15 שאלות בלי תשובות יש קשר בין פיסיקת החלקיקים היסודיים והקוסמולוגיה שחוקרת את התנאים בתחילת היקום. יש עדין הרבה שאלות ובעיות שלא פתרו: מדוע כל כך מעט אנטי-חומר ביקום? האם אפשר לחבר את תורות האינטראקציה החזקה וה-? Electroweak theory מדוע יש שלוש משפחות דומות עבור קוורקים ולפטונים? אולי יש עוד הבדלים בין אלקטרונים ומיואונים, ולא רק מסות? מדוע יש חלקיקים בעלי מטען ויש חלקיקים חסרי מטען? למה לקוורק יש ערך של מטען פחות מערך של מטען אלקטרוני? אולי גם לקוורקים יש מבנה פנימי? במחקרים שנעשו בשנים אחרונים מצאו שמהירות ההתפשטות היא לא ליניארית כתלות במרחק וגילו תאוצה של הגלקסיות. בשביל להסביר את האפקט צריך מסה עם אנרגיה "שלילית" שיש בה כוח כבידה שלילי (דחייה).