Transcript Ανακάλυψη των ενδιάμεσων μποζονίων W±, Z0, φορέων των

Ανακάλυψη των ενδιάμεσων μποζόνιων
W±,Zo.
ΕΛΕΝΗ ΜΑΓΓΙΩΡΟΥ
ΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Κα ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ
Εισαγωγή:
Το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις :
τις ισχυρές,
τις ασθενείς,
τις ηλεκτρομαγνητικές
καθώς και την έλξη της βαρύτητας
χρησιμοποιώντας τα ενδιάμεσα μποζόνια βαθμίδας, τους φορείς
δηλαδή της εκάστοτε αλληλεπίδρασης.
Όνομα
Σύμβολο
Μάζα (GeV)
Αλληλεπίδραση
γ
0
Ηλεκτρομαγνητική
Μποζόνιο W
W±
80,22
Ασθενής
Μποζόνιο Z
Z0
91,19
Ασθενής
Γλουόνιο g
g
0
Ισχυρή
Βαρυτόνιο
G
0
Βαρυτική
Φωτόνιο
Η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη:

Έχει μικρή εμβέλεια, 10-16cm ,1000 φορές μικρότερη της ισχυρής
πυρηνικής

Είναι 10-4 φορές ασθενέστερη της HM αλληλεπίδρασης

Σε υψηλές ενέργειες η ΗΜ και η ασθενής αλληλεπίδραση έχουν
την ίδια ισχύ

Συμμετέχουν όλα τα αριστερόστροφα λεπτόνια και κουάρκ

Είναι η μόνη δύναμη που επηρεάζει τα νετρίνα

Πιο οικείο αποτέλεσμα της, η β – διάσπαση
Συνέχεια...
Η ασθενής αλληλεπίδραση έχει τις εξής ιδιαιτερότητες:
1.
Είναι η μόνη αλληλεπίδραση ικανή να αλλάξει τους διάφορους
κβαντικούς αριθμούς (flavour).
2.
Είναι η μόνη αλληλεπίδραση η οποία παραβιάζει την
συμμετρία αρτιότητας P (επειδή δρα μόνο σε αριστερόστροφα
σωματίδια).
3.
Είναι επίσης η μοναδική η οποία παραβιάζει τη συμμετρία CP.
4.
Μεταδίδεται με πολύ βαριά μποζόνια βαθμίδας. Αυτή η
ασυνήθιστη ιδιότητα εξηγείται στο καθιερωμένο μοντέλο μέσω του
μηχανισμού Higgs.
Οι βασικές μορφές της ασθενούς
αλληλεπίδρασης:
Υπάρχουν
τρεις
βασικές
μορφές
της
ασθενούς
αλληλεπίδρασης. Δύο από αυτές περιλαμβάνουν φορτισμένα
μποζόνια, ενώ η τρίτη ένα μόνο ουδέτερο μποζόνιο.
Ένα φορτισμένο λεπτόνιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο)
εκπέμπει ή απορροφά ένα W μποζόνιο και μετατρέπεται στο
αντίστοιχο νετρίνο.

Ένα down κουάρκ (με φορτίο -1/3) εκπέμπει ή απορροφά ένα
W μποζόνιο και μετατρέπεται σε μια υπέρθεση up κουάρκς. Το ίδιο
μπορεί να συμβεί και αντίστροφα (ένα up κουάρκ μπορεί να
μετατραπεί σε υπέρθεση down κουάρκς).

Είτε ένα λεπτόνιο είτε ένα κουάρκ εκπέμπουν ή απορροφούν
ένα Z μποζόνιο.

Η Ηλεκτροασθενής θεωρία:
Μια ενοποιημένη θεωρία του ΗΜ και των ασθενών
αλληλεπιδράσεων από τους Glashow, Salam, Weinberg (1968).
Σε πολύ υψηλές ενέργειες, το σύμπαν έχει τέσσερα ταυτόσημα
άμαζα μποζόνια βαθμίδας, καθώς και ένα βαθμωτό πεδίο Higgs.
Tα τέσσερα αυτά μποζόνια περιγράφονται από την ομάδα των
συμμετριών:
SU(2) × U(1)
Βέβαια, σε χαμηλές ενέργειες η συμμετρία SU(2) σπάει
αυθόρμητα από τον μηχανισμό Higgs.
Αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας παράγει τρία άμαζα μποζόνια
τα οποία καταλαμβάνονται από τρία πεδία, δίνοντας τους μάζα.
Αυτά τα τρία πεδία μετατρέπονται στα W και Ζ μποζόνια της
ασθενούς αλληλεπίδρασης, ενώ το τέταρτο πεδίο παραμένει άμαζο
και είναι το γνωστό φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού.
Οι φορείς αλληλεπίδρασης:
1.
2.
3.
4.
Όλοι οι φορείς είναι
μποζόνια:
φέρουν ακέραιο σπιν
υπόκεινται στην
στατιστική BoseEinstein.
δεν υπακούουν στην
απαγορευτική αρχή του
Pauli
ισχύει η αρχή
απροσδιοριστίας του
Heisenberg:
ΔΕ Δt = h/2π
Ένα Feymann διάγραμμα για βήτα
διάσπαση ενός νετρονίου σε ένα πρωτόνιο,
ηλεκτρόνιο, και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίου
μέσω ενός ενδιάμεσου W μποζονίου.
W Μποζόνιο:



Το μποζόνιο W:
ονομάστηκε έτσι από την
ασθενή (weak) πυρηνική
δύναμη
Υπάρχουν δύο είδη μποζονίων
W με ηλεκτρικό φορτίο +1 και
−1
Το W+ είναι το αντισωματίδιο
του W−

έχει μάζα 80.4 GeV/c2

έχει σπιν μονάδα
και χρόνο ζωής γύρω στα
3 × 10−25 sec.

Συνέχεια …
Η εκπομπή ενός W+ ή W–
μποζονίου μπορεί να αυξήσει ή
να μειώσει το ηλεκτρικό φορτίο
του σωματιδίου που το
εκπέμπει κατά 1 μονάδα (σε
ηλεκτρικές μονάδες) και να
αλλάξει το σπιν επίσης κατά 1
μονάδα. Ταυτόχρονα, ένα W
μποζόνιο μπορεί να αλλάξει τη
γενιά ενός σωματιδίου, να
αλλάξει για παράδειγμα ένα u
κουάρκ σε ένα d κουάρκ.
Ζ Μποζόνιο:



Το μποζόνιο Z (ή Zο) :
Πήρε το όνομά του με
χιουμοριστικό τρόπο, καθώς
θεωρούνταν το τελευταίο
σωματίδιο που έμενε να
ανακαλυφθεί
είναι ηλεκτρικά ουδέτερο
και ταυτίζεται με το αντισωματίδιο του

έχει μάζα 91.2 GeV/c2

έχει σπιν μονάδα
και χρόνο ζωής γύρω στα
3 × 10−25 sec.

Συνέχεια …
Oι διασπάσεις του Ζ σε
δύο φορτισμένα σωματίδια
είναι πιο εύκολο να ανιχνευθούν γιατί μπορούν να
μετρηθούν
ταυτόχρονα
οι
ορμές και των δύο λεπτονίων
Το Zo μποζόνιο μπορεί να
αλλάξει μόνο το σπιν και την
ορμή, επομένως δεν αλλάζει
ποτέ τη γενιά ή τη γεύση του
σωματιδίου που το εκπέμπει.
Η πρώτη πειστική ένδειξη...
Το 1973, στο
CERN,
παρατηρήθηκαν
ουδέτερες
αλληλεπιδράσεις.
Στον τεράστιο θάλαμο
φυσαλίδων,
Gargamelle
,
φωτογραφήθηκαν
μερικά
ηλεκτρόνια τα οποία άρχισαν
ξαφνικά να κινούνται.
Αυτό ερμηνεύθηκε ως ένα
νετρίνο, που αλληλεπιδρά με
το
ηλεκτρόνιο
μέσω
ανταλλαγής ενός αόρατου
μποζονίου Ζ.
Στη
φωτογραφία,
ένα
neutrino υψηλής ενέργειας έχει
περάσει μέσα από τον θάλαμο
φυσαλίδων Gargamelle, το ίδιο
απαρατήρητο, αλλά στο πέρασμά
του καθορίζει την κίνηση των
άλλων σωματιδίων.
Η θεωρητική πρόβλεψη:
Η θεωρητική πρόβλεψη για τις
μάζες:
MW=38.5/sinθW και MΖ=MW/cosθW

Marciano & Parsa (Nucl. Phys.
1982): sin2θW=0.215 ± 0.014

Άρα:
MW = 83.0 ± 3.0 GeV/c2
MZ = 93.8 ± 2.5 GeV/c2

90 φορές η μάζα πρωτονίου
...διάσπαση…
Στην πράξη όμως…
Ο φυσικός Carlo Rubbia
ξεκίνησε
τη
μελέτη
των
αντιπρωτωνίων το 1976 με τη
συμμετοχή, βέβαια, περίπου
130
φυσικών
από
13
ερευνητικά κέντρα, μέχρι τις
ανακαλύψεις των W και Ζ.
Για την επίτευξη ενεργειών
αρκετά υψηλών για την παραγωγή
αυτών των σωμάτιων, ο Rubbia
πρότεινε στο CERN, ένα ριζικά
διαφορετικό σχεδιασμό επιταχυντή,
τον
δακτύλιο
συγκρούσεων
πρωτονίων – αντιπρωτονίων.
Στα υπάρχοντα σύγχροτρα
πρωτονίων
μπορούν
να
επιταχυνθούν ταυτόχρονα αντιπρωτόνια με πρωτόνια και να
κινηθούν
σε
πολύ
κοντινές
αποστάσεις, αλλά με αντίθετες
τροχιές.
Κατά τη σύγκρουση των δύο
δεσμών η συνολική ενέργεια στο
κέντρο μάζας είναι μεγάλη ενώ η
ορμή του συστήματος μηδέν.
Επομένως όλη η ενέργεια είναι
διαθέσιμη να μετατραπεί σε
μάζα.
Επειδή
όμως
τα
quarks και τα γλουόνια που
συμμετέχουν φέρουν ένα
τμήμα της ενέργειας του
πρωτονίου χρειαζόμαστε μια
σύγκρουση πρωτονίου 270
GeV με αντιπρωτόνιο 270
GeV, ώστε η διαθέσιμη
ενέργεια όταν ένα quark από
το πρωτόνιο εξαϋλώνει ένα
antiquark
από
το
αντιπρωτόνιο να είναι αρκετή
για την παραγωγή σωματιδίων περίπου 80 – 90 GeV.

Όμως ήταν απαραίτητη η
παραγωγή
και
η
αποθήκευση υψηλής ενέργειας
δεσμών
αντιπρωτονίων.

Μια δέσμη πρωτονίων
28GeV από ένα μικρότερο
σύγχροτρο PS σε στόχο
βολφραμίου μας έδινε 1
αντιπρωτόνιο
κάθε
ένα
εκατομμύριο γεγονότα.

Οδηγούνται σε ένα
δακτύλιο
από
μαγνήτες
(Antiproton Accumulator) στα
3,5 GeV.

Μετά από 10h έχουμε
περίπου
1011
αντιπρωτόνια.
Όμως τα αντιπρωτόνια έχουν
ευρύ φάσμα σχετικιστικής ορμής και
θα χαθούν αν οδηγηθούν απευθείας
στο σύγχροτρο.

Ο μηχανισμός στοχαστικής ψύξης...
Simon van der Meer,
αρχιτέκτονας της πορείας της
στοχαστικής «ψύξης», που άνοιξε
τον δρόμο για το έργο antiproton
CERN.
Η τεχνική της ψύξης παίρνει
το όνομά της από τη σχέση μεταξύ
της θερμοκρασίας και της ενέργειας
των σωματιδίων. Ωστόσο η πορεία
της ψύξης δεν αναφέρεται σε μια
διαδικασία με την οποία μειώνονται
όλες τις ενέργειες των σωματιδίων σε
μια ακτίνα (έτσι ώστε η δέσμη να
γίνεται «κρύα»), αλλά για μια
διαδικασία η οποία μειώνει (ή
«δροσίζει»), τη διάδοση της ενέργειας
των σωματιδίων γύρω από μια
επιθυμητή τιμή.
Η σημασία μιας τέτοιας
ψύξης είναι ότι ένα δαχτυλίδι
αποθήκευσης θα δεχθεί και θα
διατηρήσει μόνο ένα μικρό φάσμα
της ενεργειακής αξίας γύρω από
την επιθυμητή τιμή.
Αν τα αντιπρωτόνια
με
αρχικά ευρύ φάσμα των πηγών
ενέργειας μπορεί να ψυχθούν
μέσα στο μικρό διάστημα του
δακτυλίου
αποθήκευσης,
με
αποτέλεσμα τη μείωση της
τυχαίας κίνησης των σωματιδίων
της δέσμης, τότε έντονες δέσμες
αντιπρωτονίων μπορούν να
καταστούν εφικτές.
Η διαδικασία…

Τα
πρωτόνια
επιταχύνονται στο PS στα 28GeV
και μεταφέρονται στο SPS

Τα αντιπρωτόνια μεταφέρονται από το AA στο PS,
όπου επιταχύνονται από τα 3,5
στα 28GeV και μεταφέρονται στο
SPS

Στο SPS οι δύο δέσμες
που περιστρέφονται αντίθετα επιταχύνονται από τα 28 στα
270GeV
Η διαδικασία…

Οι δύο δέσμες οδηγούνται σε σύγκρουση σε
συγκεκριμένα σημεία όπου
υπάρχουν ανιχνευτές, κάτω
από την επιφάνεια της γης
(underground areas, UA)

Οι συγκρούσεις με μόρια
αερίου που έχουν ξεμείνει στον
αγωγό και άλλες διεργασίες
οδηγούν στην εξασθένιση της
δέσμης μετά από περίπου 24
ώρες.
Αφού τα μποζόνια W, Z
παράγονται σε ηρεμία, τα
λεπτόνια που παράγονται από
τη διάσπασή τους θα έχουν
ίσες και αντίθετες ορμές.
Οι μάζες τους είναι μικρές
άρα
έχουμε
σχετικιστική
κινηματική:
Ε=pc=(1/2)Mc2
αναμενόταν περίπου 40GeV
Έτσι
η
πειραματική
μεταβλητή που μετριέται είναι η
συνιστώσα της ενέργειας που
είναι εγκάρσια στον άξονα της
δέσμης, όπου τα τυχαία
γεγονότα
υποστρώματος
(background) είναι πολύ λίγα:
Ετ = Εsinθ
Άλλα
λεπτόνια
που
προέρχονται, για παράδειγμα
από διασπάσεις αδρονίων,
έχουν πολύ μικρότερες τιμές
της Ετ ≈ 40GeV .
Η υπογραφή ενός σωματιδίου W, όπως
καταγράφεται στο UA2 ανιχνευτή. Ένας
μοναδικός
υψηλός
εγκάρσιος
πύργος
ηλεκτρονίων με ορμή πάνω από ένα άγονο
τοπίο.
Ο Ανιχνευτής...
Ο ανιχνευτής, λοιπόν έπρεπε να έχει τα εξής στοιχεία:
1.
Ανιχνευτές ίχνους στο κέντρο για να παρατηρηθούν τα
φορτισμένα σωμάτια μέσα σε μαγνητικό πεδίο.
ΗΜ θερμιδόμετρα καταιγισμού
ηλεκτρόνια και τα φωτόνια.
3. Ανιχνευτές
αδρονίων,
(αδρονικά θερμιδόμετρα),
για να μετρηθούν οι
αδρονικοί πίδακες
2.
4.
Ειδικούς ανιχνευτές για την
αναγνώριση των μιονίων,
τα οποία βγαίνουν προς τα
έξω.
για
να
μετρήσουν
τα
Ο Ανιχνευτής...

Γύρω από τον αγωγό της δέσμης υπάρχει ο κεντρικός
ανιχνευτής που αποτελείται από drift chambers σε
ημικυλινδρικά τμήματα

Μέσα σε κάθε θάλαμο υπάρχουν επίπεδα με καλώδια σε
διαστήματα 0,2 m σε δυναμικό 30kV. Το ενδιάμεσο αέριο είναι
αιθάνιο/αργό σε 1atm.

Τα φορτισμένα σωματίδια που διασχίζουν το
αέριο ιονίζουν τα μόρια και
αυτά τα ιόντα οδηγούνται
στα σύρματα. Διαβάζουμε
τους παλμούς από τα 6000
καθοδικά
καλώδια
(με
ηλεκτρονική ενίσχυση)
Ο Ανιχνευτής...

Ένα πηνίο Helmholtz
αλουμινίου γύρω από τον
κεντρικό ανιχνευτή παρέχει
μαγνητικό πεδίο 0,7 Τ.

Από τις καμπύλες
τροχιές των φορτισμένων
σωματιδίων
λόγω
του
μαγνητικού πεδίου, μπορούμε να υπολογίσουμε την
ορμή (και την ενέργεια) των
σωματιδίων.

Γύρω
από
τον
κεντρικό ανιχνευτή υπάρχουν διάφορα στρώματα
που ξεχωρίζουν κάθε είδος
σωματιδίου…
Τo πείραμα UA1...

Το
πείραμα
UA1
με
συντονιστή τον Carlo Rubbia
και με σχεδόν 130 συνεργάτες
ξεκίνησε τον Ιανουάριο 1979
στο CERN.

Ο
UA1
κεντρικός
ανιχνευτής
ήταν
ζωτικής
σημασίας για την κατανόηση
της πολύπλοκης τοπολογίας
των γεγονότων πρωτονίωναντιπρωτονίων. Έπαιξε ένα
πολύ σημαντικό ρόλο στον
προσδιορισμό των W και Z
μεταξύ των δισεκατομμυρίων
των συγκρούσεων.
Στις 25 Ιανουαρίου 1983,
στο CERN πραγματοποιείται η
συνέντευξη
τύπου
για
την
ανακοίνωση της ανακάλυψης των
σωματιδίων W.
Τo πείραμα UA1...
Ο ανιχνευτής αποτελείται
από 6 κυλινδρικούς θαλάμους
συνολικού μήκους 5,8 m και
διαμέτρου 2,3 m, η μεγαλύτερη
Ο UA1 Ανιχνευτής ήταν ένας
τεράστιος και πολύπλοκος ανιχνευτής.
Είχε
σχεδιαστεί
ως
ανιχνευτής γενικής και πολλαπλής
χρήσης.
απεικόνιση
drift
chamber
εκείνης της εποχής. Καταγράφει
τις τροχιές των φορτισμένων
σωματιδίων,
αφού
πρώτα
καμφθούν σε μαγνητικό πεδίο
0,7
Tesla.
Ακόμη μετρείται η ορμή τους, το
πρόσημο
του
ηλεκτρικού
φορτίου τους και το ποσοστό
τους απωλειών ενέργειας (dE /
dx).
Τo πείραμα UA1...
Carlo Rubbia στον UA1
ανιχνευτή
Η πλήρωση των θαλάμων
γίνεται από ένα μείγμα αερίων
αργού – αιθάνιου, των οποίων τα
άτομα ιονίζονται από το πέρασμα
των φορτισμένων σωματιδίων. Τα
ηλεκτρόνια που παρήχθησαν
δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο
που διαμορφώνεται από τα
επίπεδα σύρματα και συγκεντρώνεται στα ευαίσθητα σύρματα.
Η γεωμετρική διάταξη των 17000
επίπεδων καλωδίων κα των 6125
ευαίσθητων καλωδίων επέτρεψε
μια θεαματική 3-D απεικόνιση
των
ανακατασκευασμένων
φυσικών
γεγονότων
που
παρήχθησαν.
Τo πείραμα UA2...
Το
πείραμα
UA2
με
συντονιστή τον Pierre Darriulat
και με σχεδόν 60 συνεργάτες
ξεκίνησε τον Ιούλιο 1979 στο
CERN.
Στο κεντρικό θερμιδόμετρο
του UA2 μετριέται η ενέργεια των
μεμονωμένων σωματιδίων που
δημιουργήθηκαν σε συγκρούσεις
πρωτονίων-αντιπρωτονίων.
Απαιτείται
ακριβής
βαθμονόμηση, έτσι ώστε να
επιτρέπεται να μετρηθούν οι W
και Ζ μάζες που πρέπει να έχουν
ακρίβεια της τάξης του 1%.
Pierre
Darriulat,
εκπρόσωπος του UA2 πειράματος.
Τo πείραμα UA2...
Το θερμιδόμετρο έχει 24
κομμάτια, κάθε ένα από αυτά
ζυγίζει 4 τόνους. Τα κομμάτια αυτά
οργανώθηκαν σαν τμήματα από
πορτοκάλι γύρω από το σημείο
σύγκρουσης. Εισερχόμενα σωματίδια
παράγουν
καταιγισμούς
δευτερογενών σωματιδίων στα
στρώματα βαρέων υλικών. Αυτοί οι
καταιγισμοί περνούν από τα
στρώματα πλαστικού σπινθηριστή,
δημιουργώντας φως, το οποίο
λαμβάνεται και καθοδηγείται στην
ηλεκτρονική
συλλογή
των
δεδομένων. Το ποσό του φωτός
είναι ανάλογο με την ενέργεια του
αρχικού σωματιδίου.
Ο UA2 ανιχνευτής, ο
οποίος είχε έναν πιο εστιασμένο
σχεδιασμό,
και
ήταν
πιο
συμπαγής
από
τον
UA1
ανιχνευτή.
Τo πείραμα UA2...
Ο UA2 ανιχνευτής, δείχνει
τα
τέλεια
διαστήματα
σπινθηριστών
στον
κεντρικό
ανιχνευτή και τα μεγάλα μαγνητικά
φασματόμετρα και στις δύο
πλευρές.
Το
εσωτερικό
του
αποτελείται από 23 εκατοστά
μόλυβδου και πλαστικού σε
μορφή σάντουιτς για την
μέτρηση των ηλεκτρονίων και
φωτονίων. Το εξωτερικό του
αποτελείται από 80 εκατοστά
σιδήρου και πλαστικού σε
μορφή
σάντουιτς
όπου
μετρούνται τα αδρόνια, που
αλληλεπιδρούν έντονα.
Μεγάλη επιτυχία στην Φυσική
Υψηλών Ενεργειών !!!!
 Σωστές
μάζες
 Ασυμμετρία W διάσπασης
 Σωστοί ρυθμοί παραγωγής.
 Τεχνολογικός Θρίαμβος
 Επιβεβαίωση του Standard Model
Ανοίγει ο δρόμος για την ενοποίηση όλων
των δυνάμεων !!!!!!
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:
 I. Δ. ΒΕΡΓΑΔΟΣ, Η ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΠΟΥΛΟΣ, Εισαγωγή στα στοιχειώδη
σωματίδια και την κοσμολογία
 D. Η. PEPKINS, Εισαγωγή στη φυσική υψηλών ενεργειών
 W. N. COTTINGHAM & D. A. GREENWOOD Εισαγωγή στην πυρηνική
φυσική
 http://nobelprize.org/nobel_ prizes/physics/laureates/1984/
 http://cerncourier.com/cws/article/cem/29053
 public. web. cern. ch/public/
 cern-discoveries. web. cern. Ch/cern-discoveries/Story/UΑ1. html
 www.hep.phy.cam.ac.uk/history/ua2/
 http://cern-discoveries.web.cern.ch/cerndiscoveries/Courier/HeavyLight/Heavylight.html
 http:/ /www.physics4u.gr/articles/2002/weak.html
 http://www.symmetrymagazine.org/cms/
 http://www.everything2.com/index.pl?node=Z%20particle
 http://www.livepedia.gr
 http://el.wikipedia.orgr
 http://cern-discoveries.web.cern.ch/cern-discoveries/