Transcript Részecskefizika

Bevezetés a részecske fizikába
Kölcsönhatások és azok
jellemzése
Kölcsönhatás
Erősség
Erős
1
Elektromágnes
1 / 137 ≈ 10-2
Gyenge
10-12
Gravitációs
10-44
Erős kölcsönhatás







Közvetítő részecske: gluonok
Hatótávolság: 10-15 m
Nukleonokat (p, n) tartja össze az atommagban
A kvantum-színdinamika (QCD) írja le
Olyan részecskékre hat, melyek színtöltés
hordoznak:
kvarok és gluonok
Yukava- potenciál: 1 / r  e-μr / r
Források: Barionok
Elektromágneses és gravitációs k.h.
Források: Töltött részecskék
 Közvetítő: Fotonok

Források: tömeggel rendelkező
részecskék
 Közvetítő: graviton?


Hatótávolság: 1 / r , végtelen
Gyengekölcsönhatás
Közvetítő részecskék: W- és Z-bozonok
 β- és a szabad n0 valamint egyes
atomokban a p+ és n0 bomlását okozza.
 Ez az egyedüli kölcsönhatás, amelyben a
neutrínó részt vesz

Részecskék
jellemzése,osztályozása
• Fizika tulajdonságok: Tömeg, Spin, Mágneses
dipólmomentum, Izospin, Hipertöltés,
Bariontöltés, Lepton töltés
• Osztályozás: Foton, Leptonok, Hadronok
(Mezonok, Nukleonok, Hiperonok, Mezon- és
barion rezonanciák)
Fizikai tulajdonságok
Tömeg: kg  eV, E = mc2 , c=1, 1Mev = 1,6
10-13 J
 Spin: Saját impulzus-momentum

◦ Egész: Bozonok  Szimmetrikus hullámfüggvény
◦ Feles: Fermion Antiszimmetrikus hullámfüggvény

Mágneses dipól-momentum:
μ = g μ0l / h , μ0 = eh / 2mc
g: giromágneses faktor :
g≠0: semleges részecske
g ≠±1: töltött részecske

Ritkaság: Számos részecske csak gyenge
kölcsönhatással tud bomlani, pedig látszólag
semmi oka nincs annak, hogy ne tudjon er os
kölcsönhatással bomlani. Az ilyen részecskék
felfedezésük idejében ritkák voltak, innen
ered a kvantumszám neve. A
p+ + π-  Λ0 + K0 Erős k.h.
p+ + π-  Λ0 + π 0 Gyenge k.h., Ritka
Jele: S példa SΛ = -1; SK=1; S π = Sp = 0
Ha a ritkaság megmarad az erős
kölcsönhatásban, akkor az első folyamatban
megmarad a ritkaság, a másodikban azonban
nem, azaz a gyenge kölcsönhatás sérti a
ritkaságmegmaradást.

Izospin: Az erős kölcsönhatásban részt vevő
részecskék (hadronok) érdekes csoportokat
alkotnak, melyeknek tagjai igen hasonlítanak
egymásra, és az erős kölcsönhatás
szempontjából egyformán. viselkednek.
Ilyen csoportok a (p; n), (π+; π 0; π-), (Σ +; Σ
0; Σ-). Ezek a csoportok a spin
kvantumszámhoz hasonlóan jellemezhetők az
I izospin kvantumszámmal, és annak 3. irányú
komponensével (I3). Egy csoportban 2I + 1
elem található, és az I3 lehetséges értékei 1-el
változnak. A (p; n) ennek alapján egy I = 1/2
csoportot alkotnak, I3 = ±1/2 értékkel.
Barion töltés: A proton nem bomlik el a tapasztalat
szerint semmilyen kölcsönhatással , amiért valamilyen
megmaradási tétel felelős. A hozzá tartozó
megmaradó mennyiséget barion töltésnek (B)
nevezték el, az erős kölcsönhatásban résztvevő anyagi
fermionok rendelkeznek pozitív bariontöltéssel,
antirészecskéig negatív töltéssel.
 Lepton töltés: A részecskék egy csoportja (a
könnyű fermionok: elektron, müon, tau) minden
kölcsönhatásban párosan vesznek részt, ami arra utal,
hogy ezek rendelkeznek egy megmaradó
kvantumszámmal, ez a leptonszám (L). Az
antirészecskék negatív leptonszámmal rendelkeznek.
Csak az e- családba tartozó részecskéknek van.
Marx György fedezte fel 1952-ben.
n  p+ + e- + ve
B: 1 = 1 + 0 + 0
L: 0 = 0 + 1 – 1
 Hiper töltés: Y = B + S = 2 (Q – I3)

Részecskék osztályozása
Foton
• A kvantált elektromágneses mező gerjesztésének
kvantuma.
 Az elektromágneses jelenségekért felelős elemi
részecske
 Mnyug = 0 , c = áll. ? , Q = 0, nem bomlik spontán módon
 Keletkezése: Töltésgyorsítás, Gerjesztés, Részecske –
antirészecske találkozás
 Egy módon "bomlik": anyagban, belső konverzióval,
részecske-antirészecske párra.
 Virtuális foton: Két e- kölcsön hat egymással, virtuális
foton cserélődik ki közöttük. mvf ≠ 0. Rövid élettartamú.
Minél rövidebb az élettartama, annál nagyobb lehet ez a
tömeg. A mai nagy gyorsítókkal a p+ tömegének
százszorosánál nagyobb tömegű virtuális fotont is
sikerült előállítani.
Leptonok 1.
Olyan elemi részecskék, amelyek nem
vesznek részt az erős kölcsönhatásban
(kvarkok), és nem is közvetítenek
kölcsönhatást
 Elektron neutrínó:

◦ νe , m < 2.5 (7.5) eV, Q = 0, Spin: ½ , stabil

Müon neutrínó:
◦ νμ , m < 170 KeV, Q = 0, Spin: ½ , stabil

Tau neutrínó:
◦ ντ , m < 18 MeV, Q = 0, Spin: ½ , stabil
Leptonok 2.



Elektron:
m= 0.51 MeV, Q = -1  1,602 ·10−19 C , Spin:
½, Stabil
Müon:
m = 105 MeV, τ = 2,19 × 10-6 s, cτ = 658,654 m
Spin: ½
Bomlása: μ− e− + νe + νμ (100%)
Tau:
m = 1776 MeV, τ = 2,9 × 10−15 s, cτ = 87,11 μm
Bomlása: τ μ− + νμ + ντ (17,36%) és még sok
Hadronok
Olyan összetett szubatomi részecskék,
amelyeknek összetevői kvarkok és gluonok
 Az erős kölcsönhatás kötött állapotai
 A kvarkok kötött állapotai
 Mezonok: Kvark + antikvark, Egész
spinűek
 Barionok: 3 kvark

◦ Nukleonok:
◦ Hiperonok:

Rezonok
Mezonok
Pion 1.
π-mezon, Legkönnyebb mezon, Spin: 0
 π+ : u + d , m = 139,6 MeV, Q = +1
 π- : d + u , m = 139,6 MeV, Q = -1
 τ = 2.6033 × 10−8 s ; cτ = 7.8045 m
 Mind az u és u, mind a d és d, együtt
semleges, de mivel az előbbi párok azonos
kvantumszámokkal rendelkeznek, csak a két
pár szuperpozíciójaként található meg. A
legalacsonyabb energiájú szuperpozíció a π0,
amely saját antirészecskéje

Pion 2.
Fő bomlási mód (99,9877%):
π+  μ+ + νμ ; π-  μ- + νμ
 2. leggyakoribb bomlás (0,0123%)
π+  e+ + νe ; π-  e- + νe

Pion 3. π0

m = 135 MeV, Élettartam: 8 x 10-17 s ; cτ = 25.1 nm
◦ π0  2γ (98,798%) ; π0  γ + e+ + e- (1,198%)
◦ Kvark összetétele: (uu – dd) / √2
Az élettartamuk azért ennyire eltérő, mert a
töltött pionok bomlását a gyenge kölcsönhatás, a
semlegesét az elektromágneses kölcsönhatás hozza
létre.
 A π0 részecske sokkal nehezebben megfigyelhető,
mint a π±; mivel elektromosan semleges nem hagy
nyomot az emulzióban. A π0 részecskét 1950-ben a
bomlástermékei révén találták meg.

Kaon 1.
K – mezon
m = 493,8 MeV, Spin = 0
K+ = u + s ; τ = 1.2380 × 10−8 s; cτ = 3.712 m,
Q = +1
 I = ½, S=1, J =0 Bomlási módok



◦ Hadron: K +  π+ + π0 (20,66%);K +  2π+ + π0
(5,59%)
◦ Lepton: K +  μ+ + νμ (63,55%); K +  e+ + νe
(1,58%)
◦ Lepton és semi lepton fotonnal : K+ → μ+ + νμ + γ
◦ Hadron fotonnal: K+ → π+ + π0 + γ
Kaon 2.
K- = u + s
 τ = 1.2380 × 10−8 s; cτ = 3.712 m, Q = -1
 Bomlási módok: Hasonló a K- - hoz

◦ Hadron fotonnal: K± → π+ + e+ + e− + γ

K0 = d + s Élettartam: 9 x 10-11 s
◦ m = 497,614 MeV
◦ Bomlási mód: K0  π- + π
Kaon 3.

K – Short: τ = 8,9 x 10-11 s, cτ = 2.6842 cm
◦ m = 497, 614 MeV
◦ KS = (ds – sd )/ √2
◦ Bomlások
 Hadron 2π0 (30,69%); π+ + π- (69,2%); π+ + π- + π0
 Foton: π+ + π- + γ

K – Long: τ = 5,116 x 10-8 s, cτ = 15.34 m
◦ m = 497, 614 MeV
◦ KL = (ds + sd )/ √2
◦ Bomlások : KL  π+ + π- + π0
D - mezonok
D+ = cd , D0 = cu, D0 = cu , D- = cd
 D± : m = 1869 MeV
τ = 1,040 × 10−15 s ; cτ = 311.8 μm
 D0: m = 1864 MeV
τ = 410.1 × 10−15 s ; cτ = 122.9 μm
 D+ bomlások:

◦ Lepton: e+ + νe , μ+ + νμ ; τ+ + ντ
◦ Hadron: KS0 + π+ (1,5%); KL0 + π+ (1,5%)
◦ Pion: π+ + π-; 2π+ + π-
J/ψ(1S)
m = 3096.916 MeV
 cc
 Full width Γ = 92.9 ± 2.8 keV
 Bomlása: hadronokra (87.7%)
virtuális γ (13,5%), ggg (64.1%), γ g g
(8,8%)
hadron rezonanciákra (1,69%) ρπ, …

η (Éta)


m = 547.853 MeV
Bomlása:
Természetes: (71,9%)η  2γ(39,91%), 3π0 (32,57%)
Töltött: (28,1%) η  π+ + π− + π0 (22,74%), π+π−γ
(4,6%)
ρ (700) részecske
• m = 775.49
• Élettartam 125 s
• Bomlása: ρ π + π (100%)
ω(782) omega mezon
m = 782 MeV
 Élettartam: 11,4s
 Bomlása:
ω π+ + π− + π0 (89,2%), π0 + γ (8.28%),
π+ + π− (1,53%)

Barionok
Proton
m = 938 MeV, Stabil, Q = +1 (1,602 x 10-19 C)
 Spin: ½ (fermion),
 p = uud
I=½
 P+ = uud, ezen kívül gluonok és tovább rövid
élettartamú kvarok. Tömege jóval nagyobb, mint
a vegyértékkvarkok össztömege.
 Bomlások?:

◦
◦
◦
◦
Antilepton és mezon: p  e+ + π ; e+ + η; μ+ + η
Lepton és mezon: p → e− + 2π+
Antilepton és foton: e+ + γ
3 lepton: e+ + e+ + e-
Neutron
m = 939 MeV, Spin = ½, I = ½ (fermion),
Q=0
 n0 = udd
 Élettartam atommagon kívül: 886s (15
perc)
n0  p+ + e- + νe + 0,78 MeV
τ = 885.7 ± 0.8 s, cτ = 2.655 × 108 km
Bomlását a gyenge kölcsönhatás okozza

Delta barionok
m = 1232 MeV, τ = 6 x 10-24 s, S=0,
I = 3/2
 Δ++ = uuu, Bomlása: π+ + p
 Δ+ = uud, Bomlása: π+ + n vagy π0 + p
 Δ0 = udd, Bomlása: π0 + n vagy π- + p
 Δ− = ddd, Bomlása: π- + n

Λ barion
m = 1115 MeV, S = -1, I =0
 τ = 2.631 x 10-10 s, cτ = 7.89 cm
 uds
 Bomlásai:

◦ p + π- (63,9%)
◦ n + π0 (35.8%)
◦ n + γ ; p + π- + γ ; p + e− + νe (<0.001%)
Σ barionok 1.
S = -1, I = 1
 Σ+ : m = 1189 MeV
τ = 8.018 × 10−10 s, cτ = 2.404 cm
uus
 Σ0 : m = 1192 MeV
τ = 7.4 × 10−20 s , cτ = 2.22 × 10−11 m
uds
 Σ− : m = 1197 MeV
τ = 1.479 × 10−10 s, cτ = 4.434 cm
dds

Σ barionok 2.
Bomlások:
 Σ+  p + π0 (51.57%) , n + π+ (48,31%)
p + γ, n + π+ , Λ + e+ + νe (<0.001%)
 Σ0  Λ0 + γ (100%)
 Σ−  n + π− (99.8%), n + π− + γ
(<0.001%)

Ξ (Xi) barionok



S = −2, I = ½
Ξ0:
m = 1314 MeV, τ = 2.90 × 10−10 s, cτ = 8.71 cm
Ξ0 =uss
Bomlása: Ξ0Λ0 + π0 (99,5%) , Λγ (0.001%)
Ξ-:
Ξ- =dss
m = 1321MeV, τ = 1.639 × 10−10 s, cτ = 4.91 cm
Bomlása: Ξ- Λ0 + π0 (99,887 %), Σ−γ
(0.0001%)
Ω barion
S = -3, I = 0
 sss
 m = 1672.45 MeV ; τ = 8,21 × 10−11 s
cτ = 2.461 cm
Bomlása: Ω  Λ0 + K− (67.8%),
Ξ0 + π− (23,6%)
Ξ−+ π0 (8,6%)
Ξ− + π+ + π− (<0.001%)

Barion-oktett
Mezon -nonett
VÉGE