Oddziałuwania elementarne i ...

Oddziałuwania elementarne i wszesny Wszechświat, VAR, Fizyka XX wieku

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ODDZIAªYWANIA ELEMENTARNE
I WCZESNY WSZECH±WIAT
STEFAN POKORSKI, KRZYSZTOF TURZYSKI
ODDZIAªYWANIASILNE,SªABEIELEKTROMAGNETYCZNE,WPEªNIZROZUMIANEWRAMACH
MODELUSTANDARDOWEGO,S¡ODPOWIEDZIALNEZANUKLEOSYNTEZ¦ITWORZENIESI¦
NEUTRALNYCHATOMÓW.STANDARDOWYMODELKOSMOLOGICZNYRAZEMZMODELEM
STANDARDOWYMODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHDAJEWPEªNIZGODNYZOBSERWACJAMI
OPISHISTORIIWSZECH±WIATA,POCZ¡WSZYODPIERWSZEJSEKUNDYPOWIELKIM
WYBUCHU.WTYMMOMENCIETEMPERATURAWSZECH±WIATAWYNOSIªAOKOªO
10MILIARDÓWKELWINÓWIWCI¡»PANOWAªARÓWNOWAGATERMODYNAMICZNA
MI¦DZYELEKTRONAMI,NEUTRINAMI,FOTONAMI,PROTONAMI,NEUTRONAMIIJ¡DRAMI
ATOMOWYMI,PRZYCZYM,ZGODNIEZROZKªADEMSTATYSTYCZNYM,TYCHOSTATNICH
BYªOZNIKOMOMAªOZUWAGINAICHDU»¡MAS¦.WRAZZDALSZYMOBNI»ANIEM
SI¦TEMPERATURYWSZECH±WIATAPODSTAWOWEPROCESYZAPEWNIAJ¡CERÓWNOWAG¦
TERMODYNAMICZN¡MI¦DZYPROTONAMI,NEUTRONAMIIINNYMICZ¡STKAMI{
TJ.PRZEMIANY
,CZYLINP.PROCES
P
+
E
$
N
+
{ZACZ¦ªYPRZEBIEGA¢ZBYTWOLNO
WPORÓWNANIUZTEMPEMROZSZERZANIASI¦WSZECH±WIATA.NEUTRONYPRZESTAªY
WI¦CBY¢WRÓWNOWADZETERMODYNAMICZNEJZRESZT¡CZ¡STEK.OZNACZMYPRZEZ
T
N
TEMPERATUR¦,PRZYKTÓREJTONAST¡PIªO.STOSUNEKG¦STO±CINEUTRONÓWDOG¦STO±CI
PROTONÓW(DECYDUJ¡CYWOSTATECZNYMROZRACHUNKUOLICZBIEJ¡DERATOMOWYCH)
PRZESTAªZMNIEJSZA¢SI¦WRAZZESPADKIEMTEMPERATURYOTOCZENIAIUSTALIªSI¦
NAPOZIOMIEPRZEWIDYWANYMPRZEZROZKªADSTATYSTYCZNYDLATEMPERATURY
T
N
.
PONIEWA»NEUTRONYS¡NIECOCI¦»SZEODPROTONÓW,STOSUNEKLICZBYNEUTRONÓW
DOLICZBYPROTONÓWZALE»AªWISTOTNYSPOSÓBODTEMPERATURY
T
N
,ATAZA±OD
LICZBYRODZAJÓWNEUTRINISIªYODDZIAªYWA«SªABYCH(WSTANDARDOWYMMODELU
KOSMOLOGICZNYMTENSTOSUNEKWYNOSIOKOªO1/6).NIEODWRACALNEJU»ROZPADY
,
PRZEKSZTAªCAJ¡CENEUTRONYWPROTONY,ELEKTRONYINEUTRINA,SPOWODOWAªY
NAST¦PNIEDALSZYSPADEKLICZBYNEUTRONÓWORAZWZROSTLICZBYPROTONÓW(STOSUNEK
LICZBTYCHCZ¡STEKSPADªDOOBECNEJWARTO±CI1/7).
DRUGIETAPNUKLEOSYNTEZYPOLEGAªNAª¡CZENIUPROTONÓWINEUTRONÓWW
J¡DRAATOMOWE.POCZ¡TKOWOPROCESTENPRZEBIEGAªWSPOSÓBODWRACALNY,
GDY»ZNAJDUJ¡CESI¦WEWSZECH±WIECIEFOTONYMIAªYWCI¡»ENERGIENAOGÓª
WYSTARCZAJ¡CEDOROZBIJANIANOWOPOWSTAJ¡CYCHJ¡DER.DOPIEROWMIAR¦SPADKU
TEMPERATURYWSZECH±WIATAENERGIEFOTONÓWZMNIEJSZYªYSI¦NATYLE,»EJ¡DRA
ATOMOWENIEULEGAªYJU»ROZBICIU{MOMENTTENZALE»AªODSIªYWI¡ZANIA
PROTONÓWINEUTRONÓWWJ¡DRA,CZYLIODWªA±CIWO±CIODDZIAªYWA«SILNYCH.
WREZULTACIEPRAWIEWSZYSTKIENEUTRONYZOSTAªYZWI¡ZANEWJ¡DRAIZOTOPUHELU
4
HE(ZWANEINACZEJCZ¡STKAMI
),ZAWIERAJ¡CEDWAPROTONYIDWANEUTRONY.
MO»NAST¡DOBLICZY¢,»EWYTWORZONEWTENSPOSÓBJ¡DRA
4
HESTANOWIªY25%
PIERWOTNEJMATERIIBARIONOWEJ.OPRÓCZTEGOPOWSTAªYNIEWIELKIEDOMIESZKI
J¡DERHELU
3
HE,DEUTERU
2
H(MNIEJWI¦CEJ0,001%{0,1%OGÓLNEJLICZBYJ¡DER
WZALE»NO±CIODPOCZ¡TKOWEJLICZBYPROTONÓWINEUTRONÓW)ORAZLITU
7
LI(MNIEJ
WI¦CEJ10
9
OGÓLNEJLICZBYJ¡DER).
NAWETNIEWIELKAZMIANAWFIZYCEOPISYWANEJPRZEZ
MODELSTANDARDOWYODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH
MIAªABYDRAMATYCZNESKUTKIDLANUKLEOSYNTEZY.
GDYBYLICZBARODZAJÓWNEUTRINBYªAINNA,CZYLIRÓ»NA
OD3,LUBGDYBYODDZIAªYWANIASªABEBYªYJESZCZE
SªABSZE(NP.CZ¡STKI
W
I
Z
0
MIAªYWI¦KSZEMASY),TO
ZMIENIªBYSI¦TAK»ESTOSUNEKLICZBYNEUTRONÓWDOLICZBY
PROTONÓW.WARTOTAK»EPODKRE±LI¢,»EPROCESPIERWOTNEJ
NUKLEOSYNTEZYZALE»AªWISTOTNYSPOSÓBODTEGO,
CZYWEWSZECH±WIECIEPODCZASPRODUKCJIPIERWSZYCH
J¡DERATOMOWYCHZNAJDOWAªASI¦ZNACZ¡CALICZBACZ¡STEK
NIEWYST¦PUJ¡CYCHWMODELUSTANDARDOWYM.OBECNO±¢
TAKICHŸINTRUZÓW"ZNACZNIEZMIENIªABYPRZEBIEGCAªEGO
PROCESUIPROWADZIªABYDOPOWSTANIAINNYCHILO±CI
LEKKICHPIERWIASTKÓWNI»WYNIKATOZDANYCH
OBSERWACYJNYCH.DLATEGOPIERWOTNANUKLEOSYNTEZAJEST
WA»NYMTESTEMWZAJEMNEJZGODNO±CISTANDARDOWEGO
MODELUKOSMOLOGICZNEGOITEORIIODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCH.
FAKT,»EOBSERWACJEDOTYCZ¡CEROZPOWSZECHNIENIA
LEKKICHPIERWIASTKÓWZGADZAJ¡SI¦BARDZODOBRZE
ZPRZEWIDYWANIAMITEORETYCZNYMI,JESTWA»NYM,
NIEZALE»NYMODDO±WIADCZE«,WKTÓRYCHCZ¡STKI
ELEMENTARNEZDERZANES¡WAKCELERATORACH,
POTWIERDZENIEM,I»MODELSTANDARDOWYODDZIAªYWA«
1
ELEMENTARNYCHJESTDOSKONAª¡TEORI¡PRZYENERGIACH
CZ¡STEKNIEPRZEKRACZAJ¡CYCH10
11
EV.NIEMNIEJJEDNAK,
JAKJU»PISALI±MYWPIERWSZYMARTYKULE(
DELTA
1/2005),
JESTONAPRAWDOPODOBNIEPRZYBLI»ENIEMJAKIEJ±Gª¦BSZEJ
TEORII,PODOBNIEJAKTEORIAGRAWITACJISFORMUªOWANA
PRZEZNEWTONAJESTBARDZODOBRYMPRZYBLI»ENIEM
OGÓLNEJTEORIIWZGL¦DNO±CIEINSTEINADLANIEZBYTDU»YCH
(WSKALIKOSMICZNEJ)MASIPR¦DKO±CIODDZIAªUJ¡CYCH
OBIEKTÓW.FIZYKAODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHDOSTARCZA
OBECNIEPRZEDEWSZYSTKIMARGUMENTÓWTEORETYCZNYCH
ZAISTNIENIEMTEORIIBARDZIEJPODSTAWOWEJNI»MODEL
STANDARDOWY.JEJPOSZUKIWANIE,OBOKODKRYCIACZ¡STKI
HIGGSA,BYªOGªÓWN¡MOTYWACJ¡DOBUDOWANIANOWEGO
AKCELERATORACZ¡STEKLHCWCERN-IE.ZDRUGIEJSTRONY,
ISTNIEJ¡ZAGADKOWEFAKTYKOSMOLOGICZNEZWI¡ZANE
ZPROCESAMI,KTÓREMIAªYMIEJSCEPRZEDNUKLEOSYNTEZ¡:
BRAKANTYMATERII,ISTNIENIECIEMNEJMATERIIIENERGII
PRÓ»NI,ISTNIENIEBARDZOMAªYCHNIEJEDNORODNO±CIENERGII
WNIEZWYKLEJEDNORODNYMWSZECH±WIECIEIZWI¡ZANA
ZTYMIDEAINACJIMAJ¡CEJMIEJSCEPRZEDPRAWDZIWYM
WIELKIMWYBUCHEM,CZYLICHWIL¡,WKTÓREJWSZECH±WIAT
STAªSI¦GOR¡CY.NIELICZ¡CMASNEUTRIN,ZAGADKITE
S¡OBECNIEGªÓWNYMIARGUMENTAMIEMPIRYCZNYMIZA
ISTNIENIEMBARDZIEJPODSTAWOWEJTEORIIODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCH.COWI¦CEJ,LICZBAIPRECYZJADOST¦PNYCH
DANYCHOBSERWACYJNYCHDOTYCZ¡CYCHTYCHFAKTÓW
KOSMOLOGICZNYCHPOZWALAUZNA¢WCZESNYWSZECH±WIAT
ZADOSKONAªELABORATORIUMDOBADANIAODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCH.
CZYARGUMENTYTEORETYCZNEDOSTARCZANEPRZEZFIZYK¦
ODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHIEMPIRYCZNEARGUMENTY
KOSMOLOGICZNES¡JU»WYSTARCZAJ¡CEDOSFORMUªOWANIA
TEJBARDZIEJPODSTAWOWEJTEORII?NARAZIEJESZCZE
NIE.JAKWSPOMNIELI±MYWPIERWSZYMARTYKULE,
ISTNIEJEZALEDWIE(A»?!)KILKASPÓJNYCHKONCEPCJI
TEORETYCZNYCHROZSZERZENIAMODELUSTANDARDOWEGO,
ZKTÓRYCHNAJCIEKAWSZ¡INAJBARDZIEJELEGANCK¡JESTBEZ
W¡TPIENIAHIPOTEZAISTNIENIADODATKOWEJPRZYBLI»ONEJ
SYMETRIIWPRZYRODZIE,ZWANEJSUPERSYMETRI¡.ZAGADKI
KOSMOLOGICZNENIEFAWORYZUJ¡WPRAWDZIEJEDNOZNACZNIE
SUPERSYMETRIIJAKOWªA±CIWEGOROZSZERZENIAMODELU
STANDARDOWEGO,ALECZ¦STODAJ¡SI¦ªATWIEJROZWI¡ZA¢
WRAMACHTAKIEJTEORII,NAKªADAJ¡CNANI¡JEDNOCZE±NIE
ISTOTNEOGRANICZENIA.
NAJBARDZIEJWYRAZISTYMPRZYKªADEMJESTPRZEWIDYWANE
PRZEZTEORI¦SUPERSYMETRYCZN¡
NEUTRALINO
,NOWAICI¦»KA
CZ¡STKAPOZBAWIONAªADUNKUELEKTRYCZNEGO,SªABO
ODDZIAªUJ¡CAZINNYMICZ¡STKAMI.ZTEGOPOWODU
NEUTRALINABYªYBY±WIETNYMMATERIAªEMNACIEMN¡
MATERI¦.JEDNAK,ABYG¦STO±¢TWORZ¡CYCHCIEMN¡
MATERI¦NEUTRALINBYªARÓWNAG¦STO±CICIEMNEJMATERII
WYZNACZONEJZOBSERWACJIMIKROFALOWEGOPROMIENIOWANIA
TªA,MUSZ¡MIE¢ONE±CI±LEOKRE±LONEWªA±CIWO±CI,KTÓRE
MOG¡BY¢NIEZALE»NIESPRAWDZONEWLHC{JESTTOCZ¦±¢
PROGRAMUBADAWCZEGOTEGOURZ¡DZENIAORAZWIELUINNYCH
EKSPERYMENTÓW.
INN¡KONSEKWENCJ¡SUPERSYMETRIIJESTMO»LIWO±¢
PROSTEGOWYJA±NIENIA,DLACZEGOMOGªAZAJ±¢INACJA
IWSZCZEGÓLNO±CI,DLACZEGOENERGIAPOTENCJALNAPOLA
WYWOªUJ¡CEGOINACJ¦NIEZOSTAªANATYCHMIAST
ZAMIENIONANAENERGI¦KINETYCZN¡,JAKDZIEJESI¦TO
NP.WPRZYPADKUKR¡»KAZNAJDUJ¡CEGOSI¦NARÓWNI
POCHYªEJ.WTEORIACHSUPERSYMETRYCZNYCHENERGIA
POTENCJALNANIEKTÓRYCHPÓLMATZW.KIERUNKIZEROWE
ODPOWIADAJ¡CEWNASZYMPRZYKªADZIERÓWNIOZEROWYM
NACHYLENIU,AJE±LIUWZGL¦DNI¢POPRAWKIKWANTOWE
IEFEKTYZWI¡ZANEZNARUSZENIEMSUPERSYMETRII{
RÓWNIOBARDZOMAªYMNACHYLENIU.WTAKIEJSYTUACJI
ENERGIAPOTENCJALNAKR¡»KABYªABYZAMIENIANANAJEGO
ENERGI¦KINETYCZN¡BARDZOWOLNO.PODOBNYEFEKT
ZACHODZIWPRZYPADKUPOLAPOWODUJ¡CEGOINACJ¦:
WTEORIISUPERSYMETRYCZNEJJEGOENERGIAPOTENCJALNA
POZOSTAWAªABYPRZEZKRÓTKIOKRESCZASUPRAKTYCZNIE
STAªA.TENOKRESTOWªA±NIEOKRESINACJI,WKTÓRYM
NAST¡PIªOZNACZNEIGWAªTOWNEROZSZERZENIESI¦
WSZECH±WIATA.PONIMNAST¡PIªASZYBKAZAMIANA
ENERGIIPOTENCJALNEJNAENERGI¦KINETYCZN¡CZ¡STEK,CZYLI
PODGRZANIEWSZECH±WIATA.
ROZWI¡ZANIEPROBLEMUDOMINACJIMATERIINAD
ANTYMATERI¡TAK»EWYMAGAROZSZERZENIAMODELU
STANDARDOWEGO.PONIEWA»PODCZASINACJIWSZECH±WIAT
PRAKTYCZNIEOPUSTOSZAª,PRZEWAGAMATERIINAD
ANTYMATERI¡MUSIAªAPOWSTA¢POINACJIWWYNIKU
SZCZEGÓLNYCHWªA±CIWO±CIJAKIEGO±RODZAJUODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCH.ODDZIAªYWANIATEPOWINNYODRÓ»NIA¢
CZ¡STKIODANTYCZ¡STEK,NP.PRAWDOPODOBIE«STWO
PRODUKCJICZ¡STEKPOWINNOBY¢WI¦KSZENI»
PRAWDOPODOBIE«STWOPRODUKCJIANTYCZ¡STEK.MUSIAªA
BY¢TAK»ENARUSZONARÓWNOWAGATERMODYNAMICZNA,
GDY»WPRZECIWNYMRAZIEKA»DEMUPROCESOWIPRODUKCJI
CZ¡STKITOWARZYSZYªBYODWROTNYPROCES{ANIHILACJA
CZ¡STKI.
WMODELUSTANDARDOWYMODDZIAªYWANIASILNE
IELEKTROMAGNETYCZNENIEROZRÓ»NIAJ¡CZ¡STEK
IANTYCZ¡STEK.WªASNO±¢T¦MAJ¡JEDYNIEODDZIAªYWANIA
SªABE,COZOSTAªOWYKAZANEDO±WIADCZALNIEPRZEZ
OBSERWACJ¦SAMORZUTNEJZAMIANYMEZONÓW
K
0
I
B
0
{
PEWNYCHCZ¡STEKZªO»ONYCHZPARKWARK-ANTYKWARK{
WODPOWIADAJ¡CEIMANTYCZ¡STKI.JEDNAKNARUSZENIE
SYMETRIICZ¡STKA-ANTYCZ¡STKAWODDZIAªYWANIACHSªABYCH
JESTBARDZONIEWIELKIEINIEWYSTARCZADOWYJA±NIENIA
OBSERWOWANEJWEWSZECH±WIECIEASYMETRIIPOMI¦DZY
MATERI¡IANTYMATERI¡.NATURALNYM,DODATKOWYM
¹RÓDªEMNARUSZENIASYMETRIIMI¦DZYCZ¡STKAMI
IANTYCZ¡STKAMIMOG¡BY¢ROZPADYCI¦»KICHCZ¡STEK
N
{TYCHSAMYCH,KTÓRYCHISTNIENIEWYJA±NIAELEGANCKO
BARDZOMAªEWPORÓWNANIUZINNYMICZ¡STKAMI
WARTO±CIMASYNEUTRIN.NAWCZESNYCHETAPACHHISTORII
WSZECH±WIATACZ¡STKITEPOWINNYBYªYWYPEªNIA¢
PRZESTRZE«KOSMICZN¡NARÓWNIZMATERI¡,ANTYMATERI¡
IFOTONAMI.PRZYOCHªADZANIUSI¦WSZECH±WIATA
RÓWNOWAGATERMODYNAMICZNATYCHCZ¡STEKZOSTAªA
NARUSZONA,TZN.ROZPADAªYSI¦ONE,LECZPRZESTAªY
JU»EFEKTYWNIEZACHODZI¢PROCESYICHPRODUKCJI.OD
STRONYTEORETYCZNEJJESTBARDZOPRAWDOPODOBNE,»E
WWYNIKUROZPADÓWCI¦»KICHPARTNERÓWNEUTRINMO»E
POWSTA¢WI¦CEJANTYLEPTONÓW(ANTYCZ¡STEK)NI»LEPTONÓW
(CZ¡STEK).WWYNIKUDALSZYCHODDZIAªYWA«OPISYWANYCH
2
PRZEZMODELSTANDARDOWYNADWY»KAANTYLEPTONÓWNAD
LEPTONAMIMO»EPRZEKSZTAªCI¢SI¦NANADWY»K¦KWARKÓW
NADANTYKWARKAMI.WWYNIKUDALSZEGOOCHªADZANIA
SI¦WSZECH±WIATAWSZYSTKIEANTYKWARKIZANIHILOWAªY
ZKWARKAMI,TWORZ¡CFOTONY,NATOMIASTZNADWY»KI
KWARKÓWUTWORZONEZOSTAªYBARIONY:PROTONYINEUTRONY.
OPISANYWY»EJMECHANIZMNOSINAZW¦
BARIOGENEZY
PRZEZLEPTOGENEZ¦
,CZYLIGENERACJINADWY»KIBARIONÓW
NADANTYBARIONAMIWSKUTEKUPRZEDNIEGOWYTWORZENIA
ASYMETRIIMI¦DZYLEPTONAMIIANTYLEPTONAMI.WPRAWDZIE
SUPERSYMETRIANIEJESTKONIECZNA,ABYTENMECHANIZM
MÓGªZACHODZI¢,ALEJESTONNATURALNYTYLKOWTEORII
SUPERSYMETRYCZNEJZEWZGL¦DUNABARDZODU»¡RÓ»NIC¦
SKALIELEKTROSªABEJISKALIMASCI¦»KICHCZ¡STEK
N
:
M
N
=M
W
;Z
0
10
12
,KTÓRA,JAKKOLWIEKMNIEJSZAOD
M
P
=M
W
;Z
0
10
16
,TAK»EWYMAGAWYJA±NIENIA.
DOSTARCZANARAZIENAJLEPSZYCHEMPIRYCZNYCH
ARGUMENTÓWZAKONIECZNO±CI¡ROZSZERZENIAMODELU
STANDARDOWEGO,NATOMIASTFIZYKAODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCH{ARGUMENTÓWTEORETYCZNYCH
IKONKRETNYCHKONCEPCJITAKIEGOROZSZERZENIA.
KOSMOLOGIANIEWYRÓ»NIAJESZCZEWYRA¹NIE»ADNEJ
ZKONCEPCJITEORETYCZNYCH.KONKRETNEIDEETEORETYCZNE,
POCHODZ¡CEZFIZYKIODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH,
WYZNACZAJ¡JEDNAKPEWNERAMYROZWI¡ZYWANIAZAGADEK
KOSMOLOGICZNYCHIS¡ZARAZEMOGRANICZANEPRZEZDANE
PªYN¡CEZOBSERWACJIKOSMOSU.ZPUNKTUWIDZENIA
FIZYKIODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHNAJCIEKAWSZ¡
KONCEPCJ¡TEORETYCZN¡ROZSZERZAJ¡C¡MODELSTANDARDOWY
JESTTEORIASUPERSYMETRYCZNA,KTÓRATAK»EUªATWIA
WYJA±NIENIEZAGADEKKOSMOLOGICZNYCH.JEDNAK
OSTATECZNAWERYFIKACJATEJTEORIIB¦DZIEMO»LIWA
DOPIERODZI¦KIAKCELERATOROWILHC.JE±LITEORIA
SUPERSYMETRYCZNAOKA»ESI¦PRAWDZIWA,B¦DZIETO
ZASADNICZYKROKZARÓWNOWKIERUNKUPEªNIEJSZEGO
ZROZUMIENIAPOCHODZENIASKALIELEKTROSªABEJIMAS
ZNANYCHDZI±CZ¡STEK,JAKTE»DOPEªNEGOZROZUMIENIA
WCZESNEJHISTORIIWSZECH±WIATA.
PODSUMOWANIE
NIEMAOBECNIEW¡TPLIWO±CICODOSILNEGOZWI¡ZKU
MI¦DZYFIZYK¡ODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHIKOSMOLOGI¡.
NIEJESTTOJEDNAKWCI¡»ZWI¡ZEKPARTNERSKI.KOSMOLOGIA
3
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl