Субатомные частицы. Структурные единицы материи

1. Субатомные частицы

Структурные
единицы материи

2. Фундаментальные взаимодействия

Гравитационное,
электромагнитное,
сильное,
слабое

3.

Частицы, участвующие в фундаментальных
взаимодействиях
Гравитационное: все частицы, имеющие массу.
Электромагнитное: все частицы, обладающие
электрическим зарядом, магнитным моментом,
квадрупольным электрическим моментом и т.п.
Сильное: Адроны
Слабое: Лептоны и адроны

4.

Фермионы
Частицы со полуцелым спиновым квантовым числом.
Системы фермионов подчиняются статистике ФермиДирака и принципу Паули.
Бозоны
Частицы со целым (или нулевым) спиновым квантовым
числом.
Системы бозонов подчиняются стастистике БозеЭйнштейна.

5.

Адроны.
Барионы (фермионы):
нуклоны (протон, нейтрон), гипероны ( , , , , …).
Мезоны (бозоны):
пионы, каоны, D-мезоны, J/ , B-мезоны, , F-мезоны, …
Все частицы (кроме протона и нейтрона) рождаются
в столкновениях частиц.
Все адроны, кроме протона, нестабильны

6.

Столкновение частиц. Нерелятивистские энергии.
p1
m1
p2
m2
m1 + m2
E1 - кинетическая энергия частицы-снаряда
p1 2m1E1
- величина импульса частицы-снаряда
p2 2(m1 m2 ) E2
- величина импульса, переданного
центру масс

7.

Столкновение частиц. Нерелятивистские энергии.
p1
m1
p1= p2
p2
m2
m1 + m2
Сохранение импульса системы
m1
E2 E1
m1 m2
ER = E1 – E2
Всегда ER < E1
Кинетическая энергия движения
центра масс
Максимальная энергия
эндоэнергетической ядерной реакции
При m1= m2
ER= E1 /2

8.

Если энергия ER больше массы покоя некоторой
частицы, то она может родится в столкновении (при
условии соблюдения закона сохранения заряда).
Анализ экспериментов позволил обнаружить ещё один
фундаментальный закон: закон сохранения
барионного числа.
Барионы имеют барионное число равное единице,
мезоны – равное нулю.
Суммарное барионное число сохраняется во всех
реакциях.

9.

Примеры: рождения барионов в столкновениях.
p + p p + p + n + n
1+1 = 1+1+1–1
:B
(баланс барионного числа)
Процесс p + p p + p + n невозможен !
Примеры: рождения мезонов в столкновениях.
p + p p + p + + + + 0
p + p p + p + N 0
Мезоны имеют нулевое барионное число.
Возможно рождение любого количество пи-мезонов
при сохранении электрического заряда.

10.

Существуют заряженные и нейтральные адроны.
Адроны характеризуются зарядом и барионным
числом.
Антиадроны отличаются от адронов знаками
электрического заряда и барионного числа.
Электрич. заряд q
Барионное число B
Протон
e
1
Нейтрон
0
1
Антипротон
-e
-1
Антинейтрон
0
-1

11.

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.
p1
p2
m1
m2
m1 + m2
Сохранение импульса системы
p1= p2
Кинетическая энергия движения центра масс:
E2
2
E1
2E1m1c (m1 m2 ) c (m1 m2 )c
ER = E1 – E2
2
2 4
2
Максимальная энергия
эндоэнергетической ядерной реакции
ER E1 (m1 m2 )c2 E12 2E1m1c2 (m1 m2 )2 c4

12.

Странные частицы
С ростом энергии ускорителей в 50-е годы XX века были
обнаружены новые частицы с неожиданными свойствами:
в частности, они всегда появлялись парами. Эти частицы
были названы странными.
Пример: p + p p + + K+
Были обнаружены странные барионы и странные мезоны.
Все гипероны оказались странными, все мезоны (кроме
пи-мезонов), являются странными.
Объяснение: существует ещё одна сохраняющаяся
величина (выражаемая своим квантовым числом),
названная странностью.

13.

Странность (квантовое число) сохраняется в
сильных и электромагнитных взаимодействиях, но
может не сохраняться в слабых.
Примеры
p + p p + + K+
сильная реакция
1+1 = 1 +1 + 0
:B
0+0 = 0-1 + 1
:S
p +
слабая реакция
1 = 1 + 0
:B
-1 0 + 0
:S

14.

mc2 (МэВ) (сек)
Барионы
Основной распад
Протон
p
938,2
Нейтрон
n
939,6
900
Ламбдагиперон
1116
Сигма-плюсгиперон
+
1189
10-10
p+ 0 ; n+ +
Сигма-нульгиперон
0
1192
10-15
+
Сигма-минусгиперон
-
1197
10-10
n+
Кси-нульгиперон
0
1315
10-10
+ 0
Кси-минусгиперон
-
1321
10-10
+
Омега-минусгиперон
-
1672
10-10
+ ; +K
p+e +
2·10-10 p+ ; n+ 0

15.

q(e) (сек)
Мезоны
mc2 (МэВ)
Распад
+
140
1
10-8 ++
0
135
0
10-16 2
K+
494
1
10-8 ++ ; ++ 0
K0
498
0
10-9 ++ 0 ; ++
0
549
0
10-19 2 ; ++ 0+
D+
1869
1
10-12 K, , , e, ,…
J/
3097
0
10-20 , e, ,…
B
5279
-1
10-12 D, ….
9460
0
10-20 , e, ,…

16.

Аналогичными свойствами (т.е. сохраняться в
сильных и электромагнитных взаимодействиях, но
не сохраняться в слабых) обладают такие квантовые
числа как очарование, прелесть и истинность.
Пример.
Распад нейтрального D-мезона (очаровательного)
D0 K+ + 0 1 + 0
:S
(странность не сохраняется)
1 0 + 0
:C
(очарование не сохраняется)

17.

Адроны характеризуются квантовыми параметрами:
барионным числом, странностью, очарованием,
прелестью и истинностью.
Антиадроны отличаются от адронов знаками
электрического заряда и всех квантовых параметров.
Адроны обладают ещё рядом характеристик:
векторным изоспином, пространственной
четностью и пр.

18.

Резонансы
С ростом энергии ускорителей в 60-е годы XX века стали
обнаруживаться многочисленные новые частицы
(резонансы) с очень коротким времени жизни ~10−22 10−24 с.
Резонансы похожи на короткоживущие барионы и мезоны.
Однако резонансы от более долгоживущих барионов и
мезонов отличаются энергией покоя (массой), спином и
другими дискретными характеристиками.

19.

Дельта-резонансы
Энергия покоя 1232 МэВ, спиновое число 3/2;
время жизни ~6 10−24 с.
Обозначение
Электрический
заряд
Распад
++
2e
p + +
+
e
n + + ; p + 0
0
0
p + ; n + 0
e
n +

20.

Может быть резонансы – возбужденные
состояния частиц ???
Но тогда частицы не являются элементарными,
а представляют собой системы элементарных
частиц.

21. Фундаментальные частицы

Лептоны
Кварки
Калибровочные бозоны

22.

Лептоны
Спиновое квантовое число 1/2 (фермионы).
Не участвуют в сильном взаимодействии.
Электрон
Мюон
Тау-лептон
Электронное
нейтрино
Мюонное
нейтрино
Тау-нейтрино
Символ
Электрический
заряд
Энергия
покоя (МэВ)
Лептонное
число
е
e
-е
-е
-е
0
0,511
1
106
1
1777
1
<2 10-6
1
0
<0,19
1
0
<18,2
1
Барионное число, странность, очарование, прелесть,
истинность равны нулю

23.

У каждого лептона существует античастица, которая
отличается знаком электрического заряда и
лептонного числа.
Антиэлектрон называется позитрон
В реакциях сохраняется суммарное лептонное число.
Пример: бета-распад нейтрона
n0 p e ~νe0
Баланс электрического заряда:
0
=
1
Баланс лептонного числа:
0
=
0 + 1 –1
–1
+0

24.

Время жизни мюонов: 2,2 микросекунды
μ e νμ ~νe
Время жизни тау-лептонов 10-13 сек.
~
τ μ ν τ νμ
~
τ e ν τ νe
.............................

25.

Нейтрино
Низкоэффективное взаимодействие с веществом:
нейтрино с энергией порядка 10 МэВ имеют в воде
длину свободного пробега около 100 св. лет (~ 1018 м).
Каждую секунду через тело человека на Земле проходит
порядка 1014 нейтрино, испущенных Солнцем.

26.

Нейтринные осцилляции
Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные
виды нейтрино с течением времени могут
преобразовываться друг в друга.
Теория предсказывает периодический характер этого
процесса.
Нейтринные осцилляции экспериментально обнаружены
для атмосферных, реакторных, ускорительных и
солнечных нейтрино.
При нулевой массе покоя у нейтрино нейтринные
осцилляции в веществе могут быть обусловлены
наличием у нейтрино эффективной массы в среде.

27.

Аннигиляция
Взаимное уничтожение частицы и её античастицы.
Частный случай аннигиляции: взаимное уничтожение
частицы и её античастицы с выходом фотонов.
e- + e+ → 2 ;
e- + e+ → 3

28.

Кварки
Все адроны имеют сложную структуру и состоят из
кварков, связанных глюонными полями.
Барионы состоят из трех кварков.
Мезоны состоят из кварка и антикварка.

29. Кварки

d
u
s
c
b
t
Электрич. заряд (е)
-1/3
2/3
-1/3
2/3
-1/3
2/3
Спиновое число
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
Барионное число
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
Странность
0
0
-1
0
0
0
Очарование
0
0
0
1
0
0
Прелесть
0
0
0
0
-1
0
Истинность
0
0
0
0
0
1
0,3
0,3
0,5
1,8
5
180
Энергия покоя (ГэВ)

30.

Кварки обладают характеристикой состояния, называемой
цвет.
Цвет может принимать три разных значения : R, B, G.
Кварковая структура протона
Антикварки находятся в одном из состояний антицвета
~ ~ ~
R, B, G

31.

В барионах все три кварка имеют разные цвета и
суммарный цвет бариона равен нулю.
Мезоны состоят из кварка и соответствующего
антикварка. Следовательно, суммарный цвет
мезона также равен нулю.
Таким образом, все адроны являются
«бесцветными», т.е. имеют нулевой суммарный
цвет.

32.

Мезоны
S
0
C
0
B
0
0
0
0
1
0
0
+
0
K+
ud
uu dd
us
K0
ds
1
0
0
ss
0
0
0
D+
cd
0
1
0
D0
cu
0
1
0
J/
cc
0
0
0
B
bu
0
0
-1
B0
db
0
0
1
bb
0
0
0
Спиновое и
барионное
числа
мезонов
равны нулю
-мезон со
скрытой
странностью,
J/ -мезон со
скрытым
очарованием,
-мезон со
скрытой
красотой.

33.

D-мезоны — мезоны с очарованием 1
Название
Состав
D+
D0
~
cd
cu~
Энергия покоя, Среднее время
МэВ
жизни, с
1869,57
1,040·10−12
775,49
4,101·10−13
DS-мезоны, состоящие из странного и очарованного
кварков
Например: cs

34.

Ро-мезоны, нейтральные и заряженные, с энергиями
покоя 775 МэВ имеют тот же кварковый состав, что и пимезоны.
-мезоны являются возбужденными состояниями
-мезонов и имеют среднее время жизни 5·10−24 с.
-мезоны распадаются на пары -мезонов. При этом
энергия возбужденного состояния переходит в энергию
покоя -мезонов ( 140 МэВ) и их кинетическую энергию.

35.

Омега-мезоны (нейтральные) с энергией покоя 782 МэВ
являются возбужденными состояниями 0-мезонов с
ненулевым спином (пи-мезоны имеют нулевой спин) .
Среднее время жизни -мезона 10−18 с.
Основной канал распада -мезона:
π+ + π− + π0

36.

Эта-мезоны - нейтральные частицы.
Энергии покоя:
-мезона 548 МэВ, -мезона 958 МэВ.
Их кварковый состав – суперпозиция состояний
uu , dd , ss

37.

J/ψ-мезон, состоящий из очарованных кварка и
антикварка. (cc ).
Истинно нейтральная частица (то есть являющаяся
собственной античастицей).
Спиновое число 1.
Хи-мезоны и Пси-мезоны имеют тот же кварковый
состав, что и J/ -мезон (cc ).
Являются возбужденными чармония (системы из пары:
кварка c и антикварка c ).

38.

Энергетическая
схема чармония

39.

Ипсилон-частицы — нейтральные мезоны со скрытой
прелестью – системы из b-кварка и b-антикварка.
Истинно нейтральные частицы, то есть античастицы для
самих себя.
Первый ипсилон-мезон Υ(1S)
Энергия покоя: 9460,3 МэВ
Среднее время жизни 1,218·10−20 с

40.

Боттомий
Различные состояния систем
Терм
11S0
13S0
13P0
13P1
13P2
Частица
ηb(1S)
Υ(1S)
b0(1P)
b1(1P)
b2(1P)
Энергия покоя, МэВ
9388,9
9460,3
9859,44
9892,76
9912,21
23S1
Υ(2S)
10023,26
13D1
23P0
23P1
Υ(1D)
b0(2P)
b1(2P)
10161,1
10232,5
10255,46

41.

Кварковый состав барионов
q(e)
B
S
1
0
Протон
p
uud
1
J
1/2
n
udd
uds
0
0
1/2
1/2
1
1
0
-1
Нейтрон
+
uus
1
1/2
1
-1
Сигма-плюс-гиперон
0
uds
0
1/2
1
-1
Сигма-нуль-гиперон
-
dds
-1
1/2
1
-1
Сигма-минус-гиперон
0
uss
0
1/2
1
-2
Кси-нуль-гиперон
-
dss
-1
1/2
1
-2
Кси-минус-гиперон
-
sss
-1
3/2
1
-3
Омега-минус-гиперон
Ламбда-гиперон

42.

Обнаружено большое количество очарованных
(шармированных) барионов
Символ
С
С
С0
С
С0
С0
CC
Кварковый
состав
udc
uuc
ddc
usc
dsc
ssc
ucc

43. Калибровочные бозоны

Гравитационное: гравитон ???
Электромагнитное: фотон
Сильное: глюны
Слабое: промежуточные векторные бозоны

44.

Квантовая электродинамика описывает все
электромагнитные процессы на базе обмена
фотонами электрически заряженных частиц.
Аналогично, квантовая хромодинамика
описывает все процессы сильных
взаимодействий как испускание и поглощение
кварками глюонов.

45.

Глюоны
Каждый глюон имеет цвет и антицвет.
Спин, масса и все остальные квантовые числа
равны нулю.
8 типов глюонов:
~
~
~
~
~
~
RR , RB , RG , BB , GG , BG ,
~
~
~
~
~
RR GG , RR GG 2 BB
При поглощении или испускании глюона кварк может
изменить свой цвет.

46.

Вид потенциала глюонного поля таков, что
кварки не могут вылетать из адронов.
Кулоновский
на малых
расстояниях и
линейно
возрастающий
на больших.
Обмен глюонами обеспечивает сильное
притяжение между кварками.

47.

При увеличении расстояния между кварками их
энергия возрастает.
В реакциях сильного взаимодействия кварки могут
рождаться парами кварк-антикварк.
Кинетическая энергия сталкивающихся частиц
превращается в энергию покоя пары кварк-антикварк.

48.

p + p p + + K+
Столкновение протонов с рождением странных частиц
(сильное взаимодействие)
p
p
d
u
u
d
u
d
u
d
u
s
ŝ
u
u
p
u
K
Суммарные барионное число и странность сохраняются

49.

Распад J/ -мезона на три пи-мезона (сильное
взаимодействие).
J/ + + - + 0
+
u
J/
d
-
d
ũ
c
ĉ
Все квантовые
числа
сохраняются
u
ũ
0
Три пары кварк-антикварк рождаются, одна
аннигилирует.

50.

Распад -мезона на два прелестных (красивых) В-мезона

51.

Промежуточные векторные бозоны
Обеспечивают процессы слабого взаимодействия,
в котором участвуют и адроны, и лептоны.
Электрический
заряд
Энергия
покоя (ГэВ)
Спиновое
число
W+
e
80,4
1
W
e
0
80,4
1
91,2
1
Z0
Кварки участвуют в слабом взаимодействии
за счет промежуточных бозонов

52.

Превращение d-кварка в u-кварк посредством
слабого взаимодействия
Характерный радиус слабого взаимодействия,
переносимого промежуточными бозонами,
~2 10 16 см .
Схема описывает превращение нейтрона в протон

53.

Бета – минус - процесс
n p + e +

54.

Гибель пи-мезонов :

55.

Распад странного бариона (слабое взаимодействие)
p + -
d
u
s
W-
d
u
u
p
ũ
d
-
Барионное число сохраняется, странность изменяется.

56.

Распад странного мезона на лептоны (слабое
взаимодействие)
K+ → + +
K+
u
ŝ
W+
+
Странность изменяется, лептонное число сохраняется.

57.

Распад -мезона на два мюона

58.

Схема одной из мод распада бариона
С

59.

Распад мюона
µ
~
e
W
µ
e

60.

Распад тау-лептона
Варианты процесса

61.

В стандартной модели лептоны и кварки группируются в
левоспиральные дублеты («поколения»).
1-е поколение
e
e
u
d
L
L
2-е поколение
3-е поколение
L
c
s
L
t
b
L
L

62.

Гипотетический вариант рождения бозона Хиггса

63.

Бозон Хиггса
Проблема спектра масс субатомных частиц
Гипотеза: спонтанный распад бозона Хиггса даёт
множество кварков и лептонов, формирующих
всевозможные субатомные частицы.
Нулевой электрический заряд
Нулевой спин

64.

Бозон Хиггса
Возможный механизм образования: слияние глюонов
достаточно высокой энергии.
Образуется система виртуальных пар кварк-антикварк.
Большинство пар аннигилирует, а одна рождает бозон
Хиггса.
Наиболее вероятен процесс:
~
t t H
Метод: столкновение протонов высокой энергии
(не менее десятков ТэВ).

65.

Каналы распада бозона Хиггса

66.

Обнаружение бозона Хиггса по продуктам распада.
(вероятность процессов падает с убылью масс частиц).
Наиболее вероятны распады:
на прелестный кварк и антикварк,
на промежуточные заряженные W-бозоны
на пары глюонов
на тау и антитау лептоны
на очарованный кварк и антикварк,
на промежуточные нейтральные Z-бозоны,
Менее вероятны распады на более легкие частицы
(верхние и нижние кварки и электроны).

67.

68.

Бозон Хиггса
Результаты (получены с помощью ускорителя LHC
на детекторах CMS и ATLAS).
Масса около 125 ГэВ
Нулевой электрический заряд
Время жизни менее 10–21 сек.