Föreläsning 5
Krafter; stark, elektromagnetisk och
svag.
●
Partikelfysik introduktion
●
Antimateria, MP 13-1
●
Feynman diagram
●
Krafter och växelverkan, MP 13-2
Se även http://ParticleAdventure.org/
Föreläsning 5 (k&p)
1
Föreläsning 5 (k&p)
2
Föreläsning 5 (k&p)
3
Mot alla konstens regler, startar med sammanfattning
En liknande tabell över
fermionernas anti-partiklar
(”anti-fermioner”). Dessa är
identiska med fermionera
förutom att de har motsatta
kvanttal (t.ex. laddning)
3 familjer/generationer
Föreläsning 5 (k&p)
4
●
●
●
●
Fermion: En partikel som följer Fermi-Dirac statistik. Partiklar
med spin=1/2 är fermioner (e,p,n..)
Boson: En partikel som följer Bose-Einstein statistik. Partiklar
med heltaligt spin är bosoner (, gluoner, ...)
Växelverkan: utbyte av energi och rörelsemängd mellan
partiklar samt möjlighet att skapa eller förinta (annihilera)
partiklar.
Reell partikel: En partikel med total energi E och
rörelsemängd p som tillfredsställer ekvationen:
E= p c ²m0 c² ²
●
(1)
Virtuell partikel: en partikel som har en sannolikhet att
existera inom Heisenbergs osäkerhetsrelation
E t ≃ ℏ
, men som inte uppfyller energivillkoret (1) ovan.
Föreläsning 5 (k&p)
5
Antimateria
●
Paul Dirac tolkade 1928 de negativa energier som fås vid
rotutdragning av
2
E = p c ²m0 c² ²
E=± p c²m0 c² ²
som ett "hål" i en sjö fylld av elekroner
-
reella elektroner
+mec2
-mec2
Föreläsning 5 (k&p)
E()>2mec2
+
sjö med elektroner
6
Materia och antimateria förintas i möte med varandra
e+ + e- ➔ , Q=2 · 511 keV=1.022 keV
e+
e-
Föreläsning 5 (k&p)
Upptäckt:
e positron
p antiproton
3
Heantiheliumkärna
H antiväteatom
1932
1955
1972
1995
Kosmisk
Accelerator, USA
Accelerator. USSR
CERN. Schweiz
7
Partikelkollision med vätekärna i Bubbelkammare
Föreläsning 5 (k&p)
8
Feynmandiagram
●
Richard Feynman hitta på ett praktiskt sätt att beskriva
elektromagnetisk växelverkan mellan partiklar som nu används
vid visualisering av all kvantfältteori.
t
e
e
E1
t
1
e
E1
E2
√
2
ℏ
E
t
E2
e
Coulombrepullsion
Föreläsning 5 (k&p)
Under t finns överskottsenergi i systemet. Fotonen
mellan 1 och 2 är virtuell.
Överskottsenergin E = E
x
9
Punkterna 1 och 2 i diagrammet kallas vertex och sannolikheten för
att
processen skall ske (kopplingskonstant) beror i första hand av
vilken styrka växelverkan har.
Mellan 1 och 2 propagerar kvantat som överför den växelverkande
kraften.
Ex:
e
e
e
Comptonspridning
Föreläsning 5 (k&p)
10
Krafter
●
I dag känner vi fyra fundamentala krafter
Föreläsning 5 (k&p)
●
Stark kraft
●
Elektromagnetisk kraft
●
Svag kraft
●
Gravitation
11
Föreläsning 5 (k&p)
12
Stark kraft
•
Den starka växelverkan sker mellan kvarkar och är därmed
orsaken till att nukleonen hålls ihop. Kvantat för den starka
kraften heter gluon. Partiklar som växelverkar genom stark kraft
kallas Hadroner (och består därför av kvarkar).
Partiklar som består av två kvarkar kallas Mesoner: q1 q2
Ex. + : ud , -: ud, 0: (uu-dd)/√2.
K+: us , D-: cd, Ds+: cs, B-: ub
Partiklar som består av tre kvarkar kallas Baryoner: q1q2q3
Nukleonerna (n och p) är baryoner
Ex. p: uud, n: udd, p: uud
+: uus, 0: uds , -: dds
0: uss, -: sss, c+: udc, b0:udb
Föreläsning 5 (k&p)
13
•
Även den starka kärnkraften som sker mellan nukleoner är stark
växelverkan. -mesonen förmedlar kraften under den korta tid
Heisenbergs osäkerhetsrelation tillåter.
•
Starka kraften har kopplingskonstanten s .(Relativ styrka =1)
n
0
n
Föreläsning 5 (k&p)
n
n
n
p
p
n
14
–
Kvanttalet för stark växelverkan heter färg (color). Alla kvarkar
kan anta en av tre färg kvanttal (röd, blå och grön). På samma
sätt som uteslutningsprincipen säger att spin-1/2 partiklar inte
kan besätta samma kvanttillstånd så kan inte samma färg ingå
två gånger i en Hadron. Alla partiklar som existerar i naturen är
färglösa. Detta är en av hörnstenarna i Kvant Kromodynamiken
(QCD)
ex. Proton
p
u-kvark, q=+2/3
Föreläsning 5 (k&p)
d-kvark, q=-1/3
15
Elektromagnetisk kraft
●
●
Den elektromagnetiska växelverkan sker mellan laddade
partiklar. Partikeln som förmedlar den elektromagnetiska
kraften är fotonen. Räckvidden för den elektromagnetiska
växelverkan är oändlig. Kvant elektrodynamiken (QED)
beskriver den elektromagnetiska kraften och är antagligen den
mest testade teori i världen.
Elektromagnetiska kraften har kopplingskonstanten EM.
(Relativ styrka =1/137)
EM
Föreläsning 5 (k&p)
e2
=
4 0 ℏ c
16
Svag kraft
●
Neutriner växelverkar enbart via svag växelverkan som är för
svag att märkas då laddade partiklar växelverkar. Vid neutrinoväxelverkan är endast svag växelverkan möjlig. Kraften
förmedlas av W+, W- och Z0 bosonerna som är mycket tunga.
W±:
mWc2
Z0:
mzc2
= 82 GeV
= 91 GeV
}
e
e
-
W
e
Föreläsning 5 (k&p)
upptäcktes av C. Rubbia
CERN 1981
p
n
W+
eller
e
p
n
17
Svaga kraftenhar p.g.a. bosonernas höga massa en mycket kort
räckvidd.
E = E K mW c
2
ℏ
ℏ
ℏ 2
t
=
c
2
E
mw
E K mw c
ℏc 2
s=s c t
c = 2.5⋅10−3 fm
mw
400 ggr mindre än
protonens storlek
Svaga kopplingskonstanten w. (Relativ styrka ~10-5)
Föreläsning 5 (k&p)
18
n ➔ p + e- + e
e-
p
W-
w
e
w
Beta sönderfall
n
Neutrala strömmar
●
e
p+e➔p+e
p + e ➔ p + e
p
e
/Z0
0
Z
e
p
p
e
p
Växelverkan mellan e och p sker genom en kombination av
elektromagnetisk kraft + svag kraft = elektrosvag växelverkan
Föreläsning 5 (k&p)
19
Gravitation
●
Alla partiklar med massa växelverkar via gravitation.
Gravitationen förmedlas av kvantat graviton som antas vara
masslös. I likhet med den elektromagnetiska växelverkan är
gravitationens utbredning oändlig. Gravitationen är mycket
svag i förhållande till de övriga krafterna med relativ styrka 1038
.
Föreläsning 5 (k&p)
20
