Oddziaływania elementarne i LHC

Oddziaływania elementarne i LHC, Fizyka

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ODDZIAªYWANIA ELEMENTARNE I LHC
ZYGMUNT AJDUK, STEFAN POKORSKI, KRZYSZTOF TURZYSKI
BADANIESTRUKTURYMATERIIIRZ¡DZ¡CYCHNI¡PRAW
PODSTAWOWYCHNALE»AªOZAWSZEDOGªÓWNYCHZADA«
FIZYKI.UPODSTAWWSZYSTKICHZNANYCHDOTYCHCZAS
WªA±CIWO±CIOTACZAJ¡CEJNASMATERIIZIEMSKIEJLE»¡CZTERY
TYPYODDZIAªYWA«:GRAWITACYJNE,ELEKTROMAGNETYCZNE,
SILNEISªABE.WIEMYOBECNIE,»EPODSTAWOWYMI
SKªADNIKAMIMATERIIS¡KWARKIILEPTONY.ODDZIAªYWANIA
ELEKTROMAGNETYCZNES¡ODPOWIEDZIALNEZABUDOW¦
ATOMÓWIODDZIAªYWANIAMI¦DZYNIMI{ODPRZEMIAN
CHEMICZNYCHWKOMÓRKACH»YWYCHORGANIZMÓW
DOODDZIAªYWA«PªYTTEKTONICZNYCH.CZ¡STKIODDZIAªUJ¡
ELEKTROMAGNETYCZNIEDZI¦KIWYMIANIEFOTONÓW.
ODDZIAªYWANIASILNE,PRZENOSZONEPRZEZGLUONY,S¡
ZKOLEIODPOWIEDZIALNEZAWI¡ZANIESI¦KWARKÓW
WBARIONY,CZYLIM.IN.PROTONYINEUTRONY,ATYCHZKOLEI
WJ¡DRAATOMOWE.ODDZIAªYWANIASªABEPRZEJAWIAJ¡
SI¦M.IN.WJ¡DROWYMROZPADZIEBETAPIERWIASTKÓW
PROMIENIOTWÓRCZYCHORAZROZPADACHLEPTONÓW,
APRZENOSZ¡JECZ¡STKI
W
+
,
W
I
Z
0
.
WPOLUGRAWITACYJNYM,ALEENERGIATANIEZAMIENIASI¦
WENERGI¦KINETYCZN¡(WAHADªONIESPADA),GDY»SIªA
PRZYCI¡GANIAGRAWITACYJNEGOJESTRÓWNOWA»ONAPRZEZ
NAPI¦CIENICI.DOPIEROWYCHYLENIEWAHADªAZESTANU
PODSTAWOWEGO,CZYLIPOªO»ENIARÓWNOWAGI,POWODUJE
JEGORUCH(DRGANIA),OKTÓREGOOKRESIEDECYDUJERÓ»NICA
ENERGIIPOTENCJALNYCHWAHADªAWYCHYLONEGOIWAHADªA
WSTANIEPODSTAWOWYM.TAK»EWFIZYCEODDZIAªYWA«
ELEMENTARNYCHTYPOWYMPROBLEMEMDYNAMICZNYMJEST
BADANIERUCHU(DRGA«)UKªADUFIZYCZNEGOWOKÓªSTANU
PRÓ»NI,TJ.BADANIESTANÓWWZBUDZONYCHNIEKTÓRYCH
PÓL.WYJ¡TKIEMS¡ODDZIAªYWANIAGRAWITACYJNE,
KTÓREDECYDUJ¡OEWOLUCJIWSZECH±WIATA.CAªA
ENERGIAZAWARTAWEWSZECH±WIECIEWPªYWANAJEGO
EWOLUCJ¦,WSZCZEGÓLNO±CI,BEZWZGL¦DNAENERGIASTANU
PODSTAWOWEGOUKªADUPÓL(ENERGIAPRÓ»NI)MUSIBY¢
UWZGL¦DNIONAWBILANSIEENERGIIWSZECH±WIATA.
WFIZYCEODDZIAªYWA«ELEKTROSªABYCHENERGIA
POTENCJALNAPÓLWSTANIEPRÓ»NINIEJESTRÓWNAZERU.
WMODELUSTANDARDOWYMJEDNOZPÓLODDZIAªUJ¡CYCH
SªABO,POLEHIGGSA,MAWPRÓ»NIRÓ»N¡ODZERA
ENERGI¦POTENCJALN¡,COOZNACZA,»EPRÓ»NIANIEJEST
PUSTA.MO»NAJ¡SOBIEWYOBRA»A¢JAKOZBIORNIK
NIESKO«CZONEJLICZBYCZ¡STEKOMASACHIP¦DACHRÓWNYCH
ZERU,KTÓRE,ODDZIAªUJ¡CZCZ¡STKAMI
W
+
,
W
I
Z
0
ORAZZKWARKAMIILEPTONAMI,SPOWALNIAJ¡ICHRUCH,
SPRAWIAJ¡C,»ECZ¡STKITEZACHOWUJ¡SI¦JAKCZ¡STKI
MASYWNE.KONSEKWENCJ¡TAKICHWªA±CIWO±CIPRÓ»NIJEST
ISTNIENIECZ¡STKIOSPINIE0,ZWANEJCZ¡STK¡HIGGSA,KTÓRA
POZOSTAJEJEDYN¡NIEODKRYT¡JESZCZEDO±WIADCZALNIE
CZ¡STK¡PRZEWIDYWAN¡PRZEZMODELSTANDARDOWY.
TEORIAOPISUJEZBARDZODU»¡DOKªADNO±CI¡WSZYSTKIE
BADANEDO±WIADCZALNIEPROCESYELEMENTARNE,WKTÓRYCH
ENERGIEODDZIAªUJ¡CYCHCZ¡STEKNIEPRZEKRACZAJ¡10
11
ELEKTRONOWOLTÓWIJESTOBECNIEPODTYMWZGL¦DEM
NAJDOSKONALSZ¡TEORI¡FIZYCZN¡.
1 ELEKTRONOWOLT(EV)TO ENERGIA,O JAK¡ ZMIENIASI¦ CAªKOWITA ENERGIA
CZ¡STKIO ªADUNKURÓWNYM ªADUNKOWIELEKTRONUPRZYPRZEJ±CIUPRZEZ
RÓ»NIC¦POTENCJAªÓWELEKTROSTATYCZNYCH1 WOLTA. PRZYKªADOWO,ENERGIA,
JAK¡ TRZEBADOSTARCZY¢,BY ZJONIZOWA¢ATOM WODORU, WYNOSI 13,6 EV.
KORZYSTAJ¡CZEWZORU
E
=
M
C
2
, MO»NATAK»EWYRA»A¢ MAS¦CZ¡STEK
W EV
=
C
2
, NP.MASA ELEKTRONUTO 511000 EV/C
2
.
MODELSTANDARDOWYODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHJEST
KWANTOW¡TEORI¡POLAISKªADASI¦ZCHROMODYNAMIKI
KWANTOWEJ,CZYLITEORIIODDZIAªYWA«SILNYCH,
ORAZZEZUNIFIKOWANEJTEORIIODDZIAªYWA«
ELEKTROMAGNETYCZNYCHISªABYCH(WSKRÓCIE,
ELEKTROSªABYCH).WKWANTOWEJTEORIIPOLAKA»DA
CZ¡STKAJESTKWANTEMPEWNEGOPOLAFIZYCZNEGO.
KWANTOWATEORIAPOLANIETYLKOJESTWI¦CJ¦ZYKIEM
MATEMATYCZNEGOOPISUODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH,
ALEPROPONUJEPEWIENOBRAZFIZYCZNYSTRUKTURYMATERII
NABARDZOMAªYCHODLEGªO±CIACH,WKTÓRYMZNIKAPODZIAª
NACZ¡STKIIPOLAPRZENOSZ¡CEODDZIAªYWANIAMI¦DZY
CZ¡STKAMI.PODOBNIEJAKFOTON,KTÓRYJESTKWANTEM
POLAELEKTROMAGNETYCZNEGO,ELEKTRONJESTKWANTEM
POLAELEKTRONOWEGO,KWARK{POLAKWARKOWEGOITD.
ODDZIAªYWANIAMI¦DZYCZ¡STKAMIS¡ODDZIAªYWANIAMI
ROZCHODZ¡CYCHSI¦WCZASOPRZESTRZENIPÓL,KTÓRYCHTE
CZ¡STKIS¡KWANTAMI.
KA»DYSTABILNYUKªADFIZYCZNYMASWÓJSTAN
PODSTAWOWYB¦D¡CYSTANEMONAJNI»SZEJENERGII.
WFIZYCEODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHZWANYJEST
ONPRÓ»NI¡.JESTTOTAKISTANUKªADUPÓL,WKTÓRYM
NAJEDNOSTK¦OBJ¦TO±CIPRZYPADANAJMNIEJSZAILO±¢
ENERGII.CZ¦STOWSTANIEPRÓ»NIENERGIAKINETYCZNA
IPOTENCJALNAWSZYSTKICHPÓLJESTRÓWNAZERU,
ALENIEKONIECZNIEMUSITAKBY¢.WNIEKTÓRYCHSYTUACJACH
SPOTYKANYCHWFIZYCEENERGIAKINETYCZNAWSZYSTKICH
PÓLWSTANIEPRÓ»NIJESTRÓWNAZERU,ALENIEKTÓRE
POLAMAJ¡NIEZEROW¡ENERGI¦POTENCJALN¡.NIEJEST
TOZASKAKUJ¡CE,GDY»PROSTYCHPRZYKªADÓWSTANU
PODSTAWOWEGOONIEZEROWEJENERGIIPOTENCJALNEJ
DOSTARCZANAWETPOWSZECHNIEZNANAFIZYKA.STANEM
PODSTAWOWYMWAHADªAZAWIESZONEGONANICIWPOLU
ZIEMSKIEGOPRZYCI¡GANIAGRAWITACYJNEGOJESTJEGO
POªO»ENIERÓWNOWAGI(WAHADªOWSPOCZYNKU).WTYM
STANIEMAMYRÓ»N¡ODZERAENERGI¦POTENCJALN¡WAHADªA
POMIMOODNIESIENIASPEKTAKULARNEGOSUKCESUMODEL
STANDARDOWYPOZOSTAWIABEZODPOWIEDZIWIELEPYTA«.
POPIERWSZE,NIEWYJA±NIA,DLACZEGOMIERZONEWARTO±CI
MASYBOZONÓW
W
I
Z
0
S¡TAKIE,ANIEINNE,GDY»
SKALAMASOWAJESTWOLNYMPARAMETREMTEJTEORII.
PODRUGIE,DO±¢TAJEMNICZEWYDAJESI¦ISTNIENIETRZECH
RODZINFERMIONÓW(ZARÓWNOKWARKÓW,JAKILEPTONÓW),
RÓ»NI¡CYCHSI¦TYLKOMAS¡,LECZIDENTYCZNYCHZPUNKTU
WIDZENIAODDZIAªYWA«.POTRZECIE,ZKONSTRUKCJIMODELU
STANDARDOWEGONIEWYNIKA,WJAKIMKIERUNKUNALE»Y
DALEJUOGÓLNIA¢T¦TEORI¦,ABYSTWORZY¢WSPÓLNYOPIS
ODDZIAªYWA«SILNYCHIELEKTROSªABYCHLUB,BARDZIEJ
AMBITNIE,BYPODA¢JEDNOLITYOPISWSZYSTKICHCZTERECH
ZNANYCHODDZIAªYWA«.ZASADNICZ¡TRUDNO±¢TEORETYCZN¡
1
PRZYPRÓBACHTAKIEGOUOGÓLNIENIASTANOWIOGROMNA
ROZPI¦TO±¢(HIERARCHIA)MI¦DZYMASAMIBOZONÓW
W
I
Z
0
ANAST¦PN¡ZNAN¡SKAL¡MASYWYZNACZON¡
PRZEZODDZIAªYWANIAGRAWITACYJNE.JESTNI¡MASA
PLANCKA,
P
PRÓBYROZWI¡ZANIAPROBLEMUHIERARCHIISKALSTYMULOWAªY
BADANIATEORETYCZNEPRZEZOSTATNICHKILKANA±CIE
LAT.PROBLEMTENWI¡»ESI¦BOWIEMZPROBLEMEM
WYZNACZENIASKALIELEKTROSªABEJODPOWIADAJ¡CEJMASOM
CZ¡STEK
W
I
Z
0
ZBARDZIEJPODSTAWOWYCHZAªO»E«,
AWI¦CZPEªNIEJSZYMZROZUMIENIEMMECHANIZMU
DECYDUJ¡CEGOOSZCZEGÓLNYCH,OPISANYCHWCZE±NIEJ,
WªA±CIWO±CIACHSTANUPRÓ»NIODDZIAªYWA«ELEKTROSªABYCH
(FIZYCYNAZYWAJ¡TENMECHANIZMSPONTANICZNYM
NARUSZENIEMSYMETRII).NAJBARDZIEJKONKRETNYMI
PROPOZYCJAMITEORETYCZNYMIUOGÓLNIAJ¡CYMIMODEL
STANDARDOWYS¡:
M
P
=
H
C
=
G
N
10
27
EV
=
C
2
:
G
N
6
;
7
10
11
M
3
KG
1
S
2
JESTSTAª¡ NEWTONA, CZYLISTAª¡ PRZYRODY
WYST¦PUJ¡C¡W PRAWIEPOWSZECHNEGOCI¡»ENIAWYRA»AJ¡CYMSIª¦
F
ODDZIAªYWA«GRAWITACYJNYCHMI¦DZYDWOMA CIAªAMIO MASACH
M
I
M
ZNAJDUJ¡CYCHSI¦ W ODLEGªO±CI
R
OD SIEBIE:
F
N
=
G
N
MM
H
C
=
G
N
JESTKOMBINACJ¡STAªYCH PRZYRODY,KTÓREJJEDNOSTK¡
JESTKILOGRAM,CZYLIJEDNOSTKAMASY.
1)DODATKOWASYMETRIAPRZYRODY,ZWANA
SUPERSYMETRI¡
,
PRZYPORZ¡DKOWUJ¡CAKA»DEJZNANEJCZ¡STCE
ELEMENTARNEJPARTNERAOIDENTYCZNYCHWªA±CIWO±CIACH
ZWYJ¡TKIEMSPINU{PARTNERAMIKWARKÓWILEPTONÓW,
KTÓREMAJ¡SPIN1
=
2,BYªYBYWI¦CWTEJTEORIICZ¡STKI
BEZSPINOWE,NATOMIASTPARTNERAMIKWANTÓWPOLA
OSPINIE1INNECZ¡STKIOSPINIE1
=
2;SUPERSYMETRIANIE
BYªABYJEDNAKSYMETRI¡DOKªADN¡{CZ¡STKIB¦D¡CE
PARTNERAMIZNANYCHCZ¡STEKPOWINNYMIE¢MASY
OKOªO10
12
EV
=
C
2
;BYªABYTOWªA±NIEWSPOMNIANA
WY»EJNOWASKALAMASOWAROZWI¡ZUJ¡CAPROBLEM
HIERARCHII;
10
27
EVUJAWNISI¦KWANTOWA
NATURAODDZIAªYWA«GRAWITACYJNYCHISIªATYCH
ODDZIAªYWA«B¦DZIEPORÓWNYWALNAZSIª¡POZOSTAªYCH
ODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH,PODOBNIEJAKPRZY
ENERGIACH
E
M
W
;Z
0
C
2
ODDZIAªYWANIASªABE
DORÓWNUJ¡SIª¡ODDZIAªYWANIOMELEKTROMAGNETYCZNYM.
HIERARCHIAMAS
M
P
=M
W
;Z
0
10
16
JESTZASKAKUJ¡CA
W±WIETLEDOTYCHCZASOWYCHODKRY¢.PRZYPRZEJ±CIUOD
FIZYKIATOMOWEJPOPRZEZFIZYK¦J¡DROW¡DOODDZIAªYWA«
ELEKTROSªABYCHPOJAWIAJ¡SI¦NOWE,CORAZWI¦KSZE
SKALEFIZYCZNE,ALENAST¦PUJETOWSPOSÓBSTOPNIOWY,
ANIEHIERARCHICZNY,TZN.SKALETENIERÓ»NI¡SI¦OTYLE
RZ¦DÓWWIELKO±CI.SPODZIEWAMYSI¦WI¦CISTNIENIA
Gª¦BSZEJTEORII,KTÓRAROZWI¡»EPROBLEMHIERARCHII
SKALIZARAZEMUDZIELIODPOWIEDZINAPOSTAWIONE
WY»EJPYTANIA.TEORIATAKAPRZEWIDYWA¢B¦DZIE
ISTNIENIENOWYCHCZ¡STEKINOWYCHODDZIAªYWA«
NAODLEGªO±CIACHMNIEJSZYCHNI»10
18
M.ZATEM
WTEORIITAKIEJWYST¦POWA¢B¦D¡SKALEMASYWI¦KSZE
OD10
11
EV
=
C
2
.NOWECZ¡STKIOCHARAKTERYSTYCZNEJSKALI
MASOWEJ10
12
{10
13
EV
=
C
2
B¦D¡MOGªYBY¢ODKRYTE
WAKCELERATORZELHCBUDOWANYMOBECNIEWCERN-IE
PODGENEW¡(PATRZOSTATNIASTRONAOKªADKI).ISTNIENIE
TAKIEJSKALIFIZYCZNEJ,NIECOTYLKOWY»SZEJODSKALI
ELEKTROSªABEJ,POZWOLIªOBYUNIKN¡¢PROBLEMUHIERARCHII
IDLATEGOJESTBARDZOPRAWDOPODOBNE.WARTOJEDNAK
PAMI¦TA¢,»EWPRZYRODZIEMO»EISTNIE¢NIEJEDNA,
LECZKILKANOWYCHSKALFIZYCZNYCHNI»SZYCHODSKALI
PLANCKA,KTÓRYCHUWZGL¦DNIENIEB¦DZIEKONIECZNE
PRZYBUDOWANIUGª¦BSZEJTEORII.NIEWYKLUCZONE,»E
JEDNAZTYCHSKALZOSTAªANIEDAWNOODKRYTADZI¦KI
DO±WIADCZALNEMUSTWIERDZENIU,»ENEUTRINA(OZNACZANE
PRZEZFIZYKÓWJAKO
)MAJ¡BARDZOMAªEMASY
M
,
KTÓRYCHWIELKO±¢MO»NAELEGANCKOWYJA±NI¢,ZAKªADAJ¡C,
I»S¡ONEWYNIKIEMODDZIAªYWA«NEUTRINZBARDZO
CI¦»KIMINOWYMICZ¡STKAMI
N
,ZWANYMI
CI¦»KIMI
PARTNERAMINEUTRIN
,OMASIE
M
N
10
23
EV
=
C
2
.
MASYNEUTRIN
M
2)CONAJMNIEJJEDEN
DODATKOWYWYMIARPRZESTRZENNY
ZAWINI¦TYWOKR¡GOBARDZOMAªYMPROMIENIU
R
{WTEDYSKALAODDZIAªYWA«ELEKTROSªABYCHBYªABY
WYZNACZONAPRZEZSKAL¦PLANCKAIPROMIE«
R
;
3)
DEKONSTRUKCJAWYMIARÓW
,CZYLIISTNIENIEDODATKOWYCH
SYMETRIINIEJAKOIMITUJ¡CYCHODDZIAªYWANIAWMODELU
ZDODATKOWYMIWYMIARAMIPRZESTRZENNYMI{TAKIE
SYMETRIEMUSIAªYBYBY¢SPONTANICZNIENARUSZONE,
ASKAL¦ODDZIAªYWA«ELEKTROSªABYCHMO»NABY
WYZNACZY¢JAKOFUNKCJ¦SKALISPONTANICZNEGO
NARUSZENIATYCHWY»SZYCHSYMETRII.
1EVS¡WÓWCZASWNATURALNY
SPOSÓBRZ¦DU
M
M
W;Z
=M
N
.MECHANIZMTAKI
NAZYWASI¦MECHANIZMEMHU±TAWKI.GDYBYNATOMIAST
ZAOBSERWOWANOROZPADPROTONU,OZNACZAªOBYTO
ODKRYCIE
SKALIWIELKIEJUNIKACJI
ODDZIAªYWA«SILNYCH
IELEKTROSªABYCH.
ODKRYCIECZ¡STKIHIGGSAWLHCB¦DZIENIETYLKO
JESZCZEJEDNYMPOTWIERDZENIEMPOPRAWNO±CIMODELU
STANDARDOWEGO,ALETAK»EPOMOSTEMDOBARDZIEJ
FUNDAMENTALNEJTEORII.WªA±CIWO±CICZ¡STKIHIGGSA(LUB
JEJBRAK),JEJMASAICHARAKTERODDZIAªYWA«ZKWARKAMI
ILEPTONAMI,B¦D¡PODSTAWOWYMIWSKAZÓWKAMICO
DOWYBORUJEDNEJZPOWY»SZYCHKONCEPCJITEORETYCZNYCH.
NP.TEORIESUPERSYMETRYCZNEPRZEWIDUJ¡ISTNIENIELEKKIEJ
CZ¡STKIHIGGSA,NIEWIELECI¦»SZEJODCZ¡STKI
Z
0
,PODCZAS
GDYZMODELIOPARTYCHNAISTNIENIUDODATKOWYCH
WYMIARÓWWYNIKA,»ECZ¡STKAHIGGSAJESTKILKAKROTNIE
CI¦»SZAODCZ¡STKI
Z
0
.ALENIETYLKOWªASNO±CICZ¡STKI
HIGGSAPOMOG¡WYBRA¢SPOMI¦DZYRÓ»NYCHKONCEPCJI
TEORETYCZNYCHT¦POPRAWN¡.CHO¢WSZYSTKIEONEOPIERAJ¡
SI¦NAISTNIENIUNOWEJSKALI,AZATEMPRZEWIDUJ¡ISTNIENIE
NOWYCHCZ¡STEKOMASACHOKOªO10
12
EV
=
C
2
,TOICH
PRZEWIDYWANIADOTYCZ¡CERODZAJUIWªA±CIWO±CITYCH
CZ¡STEKS¡ZUPEªNIERÓ»NE.PRZEWIDYWANIATEB¦DZIE
MO»NASPRAWDZI¢WDO±WIADCZENIACH,KTÓREB¦D¡
PRZEPROWADZANEWLHC.
2
R
2
. STAªA
PLANCKA
H
1
;
1
10
34
JS POJAWIA SI¦W OPISIEZJAWISK KWANTOWYCH.
M
P
=
P
BIOR¡CPODUWAG¦NATUR¦WYST¦PUJ¡CYCHWTYM
WZORZEWSPÓªCZYNNIKÓW,MO»NAOCZEKIWA¢,»EPRZY
ENERGIACH
E
P
=
M
P
C
2
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl