Parçacık Fiziğine giriş

TÖÇ-5
Parçacık Fiziğine giriş
Gökhan ÜNEL / UCI
1
- Şubat 2016
Çıkış noktası
Yaşadığım bu yerde bir sebep-sonuç ilişkisi var.
Bilinçliyken deneyimlediklerime gerçek diyorum.
Yaşadığım bu yeri anlayabilirim.
Gözlem ve deney yapanları dinleyeyim.
Gözlemler / deneyler gerçekle ilgili olması gerekenler:
Tekrarlanabilir / Yalanlanabilir.
Sınıflandırılabilir.
Karmaşık konuları anlama yöntemleri:
Bütünü anlayana kadar çalışayım. Tümden küçük parçalara geçeyim.
Bütünü oluşturan parçaları ve onların birbiri ile ilişkisini anlayım,
bunlardan tüme varayım.
2
Doğadaki maddeyi ve
çeşitli etkileşimlerin alt
yapısını anlamak.
her şeyi anlamak
önce sınıflandıralım
3
h e r
katı
c i s i m
sıvı
h e r
gaz
o l a y
Kimyasalbirsürütepkimevar.
Elimmasadangeçmiyor.
Şimşekoluyor.
Güneşveyıldızlarparlıyor.
Dünyanınyaşıbasitçehesaplanmıyor.
Elementlerinçekirdeklerindebirbiriniiten
yüklernasılbiraradaduruyor?
Mendeleyev 1869
Taşatıncayeredüşüyor.
Yıldızlarkafamadüşmüyor.
4
ilk parçacık 1897
Parçacık Fiziği macerası J.J.Thomson'ın elektronu
keşfetmesiyle başlar.
Sıcak bir telden yayılan katot ışınlarının (parçacık demeti) bir mıknatıs ile
saptırılabilmesi ile bunların elektrik yükü taşıdığı, ve bükülme yönünden
de bu yükün eksi olduğu belirlenmiştir.
5
Atomun içinde ne var?
JJ Tomson (1904)
Atom, içinde artı ve eksi elektrik yükü olan bir karışım olabilir.
6
Atom Çekirdeği
Ernest Rutherford, 1909'da varsayımın geçerliliğini
test etmek için bir deney hazırladı. Fizikçiler ilk kez
mikroskopla göremedikleri küçük parçacıkların içini
araştırdılar.
α parçacıkları
algıç
beklenen
α parçacıkları
algıç
gözlenen
7
açıklama
Çekirdek Nedir?
-
Lisa Meitner
çekirdeğin parçalanabildigini
gösteren kişi
++
-
u
u
d
u
d
d
Protonçekirdek etrafında
1938
1968
En basit atom modeli:
yörüngede olanNötron
elektronlar.
Atom
çekirdeği
parçalanabiliyormuş;
Proton
ve
nötronlar
da parçalanabiliyor;
Bu tanıma göre madde çekirdek ve elektronlardan
oluşuyor.
Çekirdeğin
içinde
ve nötronlar varmış.
8
Onların içinde
de protonlar
kuarklar
var.
h e r
katı
c i s i m
sıvı
h e r
gaz
o l a y
Kimyasalbirsürütepkimevar.
Elimmasadangeçmiyor.
Şimşekoluyor.
Güneşveyıldızlarparlıyor.
Dünyanınyaşıbasitçehesaplanmıyor.
a t o m l a r
-
Elektron
u
u
d
Proton
Elementlerinçekirdeklerindebirbiriniiten
yüklernasılbiraradaduruyor?
u
d
d
Taşatıncayeredüşüyor.
Yıldızlarkafamadüşmüyor.
Nötron
9
TemelEtkileşimler
Güçlüetkileşim
Elektromanyetiketkileşim
Elektrik,mıknatıslık:
atomuniçindeki
elektronlarıçekirdeğe
bağlar,atomları
moleküllerebağlar,tüm
kimyasaletkileşimlerden
sorumludur,vs.
Zayıfetkileşim
Radyoaktiviteden
sorumludur.AyrıcaGüneş
vediğeryıldızların
merkezindeolannükleer
tepkimeleresebepverir.
Higgsetkileşimi
Kuarklarıbağlayıp
protonları,nötronlarıve
diğerparçacıklarıyapar.
Atomuniçindekiproton
venötronlarınarasındaki
iticikuvvetiyenerek
çekirdeğibağlar.
Kütleçekimetkileşimi
Kütlesiolantümmaddenin
arasındaolançekimkuvveti.
BiziDünya’yabağlar,yıldızları
vegalaksileribiraradatutar.
Temelfermiyonlarınvezayıfetkileşimtaşıyıcısı
bozonlarınkütlekazanmasındansorumludur.
10
Temel Parçacıklar
kütle➝ 2.4 MeV/c2
yük➝ ⅔
Maddenin Üç Ailesi
dönü➝ ½
Kuarklar
Etrafımızdaki cisimleri
oluşturanlar
Erken evrende ve
laboratuarda olanlar
Yapıtaşları
Leptonlar
ve bunların karşı-parçacıkları
e- —> e+
—> u
⅔
½
⅔
½
c
tılsım
t
üst
104 MeV/c2
4.2 GeV/c2
-⅓
½
-⅓
½
-⅓
½
d
aşağı
s
garip
b
alt
<2.0 eV/c2
<0.19 MeV/c2
<18.2 MeV/c2
0
e
½ elektron
nötrino
0
μ
½ müon
nötrino
0
τ
½ tau
nötrino
0.511 MeV/c2
105.7 MeV/c2
1.777 GeV/c2
-1
½
-1
½
-1
½
ν
Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ
u
yukarı
171.2 GeV/c2
4.8 MeV/c2
isim➝
Kuarklar: u, c, t, d, s, b
u
1.27 GeV/c2
ν
e
elektron
1. aile
μ
müon
2. aile
ν
τ
tau
3. aile
υe —> υe
e
e
u
d
u
d
Atomlar yukardakileri uygun
şekilde karıştırarak yapılır.
n
Nötron
u
e
d
p
Proton
e
e
11
HADRONLAR
Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar
3 kuarklı
hadronlar
1 kuark ve
1 karşı-kuarklı
12
hadronlar
Ö n e m l i
k e ş i f l e r
s-kuark
cc
bb
h
13
h e r
katı
c i s i m
sıvı
h e r
o l a y
Elektromanyetiketkileşim
gaz
Kimyasalbirsürütepkimevar.
Elimmasadangeçmiyor.
Şimşekoluyor.
Zayıfetkileşim
Güneşveyıldızlarparlıyor.
Dünyanınyaşıbasitçehesaplanmıyor.
a t o m l a r
kütle➝ 2.4 MeV/c2
yük➝ ⅔
171.2 GeV/c2
⅔
½
⅔
½
c
½
4.8 MeV/c2
104 MeV/c2
4.2 GeV/c2
-⅓
½
-⅓
½
-⅓
½
Leptonlar
isim➝
yukarı
d
aşağı
tılsım
s
garip
b
alt
<0.19 MeV/c2
<18.2 MeV/c2
0
e
½ elektron
nötrino
0
μ
½ müon
nötrino
0
τ
½ tau
nötrino
0.511
105.7
1.777
-1
½
MeV/c2
e
elektron
1. aile
ν
-1
½
MeV/c2
μ
müon
2. aile
Elementlerinçekirdeklerindebirbiriniiten
yüklernasılbiraradaduruyor?
üst
<2.0 eV/c2
ν
Güçlüetkileşim
t
dönü➝
Kuarklar
u
1.27 GeV/c2
Kütleçekimetkileşimi
ν
-1
½
Taşatıncayeredüşüyor.
Yıldızlarkafamadüşmüyor.
GeV/c2
τ
tau
3. aile
14
Etkileşimleri Sağlayan Parçacıklar
Kuvvet
Çekim
Zayıf
Elektromanyetik
Güçlü
Taşıyıcı
Parçacık
Graviton
W+ W- Zo
Photon
Gluon
etkileştikleri
hepsi
kuarklar ve
leptonlar
kuarklar, yüklü
leptonlar, W+ W-
kuarklar ve
gluonlar
Kütle (GeV)
0?
80 - 91
0
0
(henüz gözlenmedi)
Güçlüetkileşim
ElektromanyePketkileşim
Zayıfetkileşim
15
Bilinen Parçacıklar ve Etkileşimleri
16
zayıf etkileşim
elektromanyetik etkileşim
güçlü etkileşim
parçacıklar
ve
etkileşimleri
başka şekilde
17
karşı-parçacık olayı
her parçacığın kendisine zıt kuantum mekaniksel
özellikler taşıyan bir düşman kardeşi vardır.
buna karşı-parçacık denir
parçacık + karşı-parçacık = enerji = yeni parçacık
Örnekler:
elektron(-) & pozitron(+) en basiti: yük ters olmuş
u (2/3) & u (-2/3) benzer şekilde
ve & ve
: lepton numarası ters olmuş
r&r
: renk yükü ters olmuş
karşı parçacıkları da sayarsak toplamda 61 temel parçacık var
18
bi r Q M öze l l i k : Dönü (sp i n )
devamlı değil kesikli değerler alabilir: “Kuantumlu”
½, 1½, …
0, 1, 2, …
Fe r m i-D i rac
B o s e -Ei n s te i n
elektron
foton
Boze yığılması
lazer
Pauli dışlama ilkesi
orbitaller
Fermiyon
madde yapıtaşı parçacıklar
Boson
kuv vet iletici parçacıklar
Stern - Gerlach Deneyi 1922
19
Elektromanyetik
Kuv vet
Gauss
Ampere
Faraday
James Clerk Maxwell
elektrik alan
manyetik alan
akım yoğunluğu
yük yoğunluğu
elektriksel geçirgenlik
manyetik geçirimlik
20
20
Kuantum Elektrodinamiği
Elektrik yükü taşıyan bütün
parçacıkların “foton” parçacığı
aracılığıyla nasıl etkileştiğini açıklar
Klasik EM’nın Kuantum halidir.
Kuantum mekaniği ile özel
göreliliğin bağdaştığı ilk kuramdır.
Bir çok deney sonucunu yüksek
duyarlılıkta (milyarda 10 hata ile)
hesap etme olanağını verir.
Richard
Feynman
21
foton hakkında...
M.Planck, siyah cisim ışımasını açıklar (1900), ışıma
kuantumludur.
A.Einstein, parçacık gibi davranan ışık kuantumu önerir
(1905), fotoelektrik olay (E≤hν-w), kütle ve enerjinin
eşdeğerliği, özel görelilik.
“Foton” ismi kimyacı Gilbert Lewis (1926) tarafından önerilir.
Foton spin 1 ama kütle 0 yani 2 polarizasyonludur.
yansıma
etrafında bükülme
Yüksek demet enerjisi → Daha kısa dalgaboyu → Daha iyi çözünürlük
22
Kuantum Elektrodinamiği
Feynman çizileri
foton
elektrik yüklü
parçacık
elektrik yüklü
karşı-parçacık
e- e+ → e+ e-
e
γ
+
+
e
-
e
e
zaman
KED’in etkisi sonsuz: foton kütlesiz
23
Etkileşme örnekleri
güçlü
etkileşim
elektromanyetik
etkileşim
zayıf
etkileşim
24
Zayıf Etkileşim
Kuarkların çeşnilerini KÇD ile değişir
Etkileşim kısa-menzillidir (10-18 m)
Taşıyıcı parçacıkları kütle sahibidir
Mz = 90 GeV/c
Mw = 81 GeV/c
2
demir atomundan ağır
25
Kuantum Çeşni Dinamiği
örnekler
+
-
26
W Z hakkında
UA1 ve UA2 takımlarınca CERN’de 1983 yılında keşfedildiler
1968 yılında Glashow, Weinberg, Salam tarafından önerilmişlerdi
SLAC (ABD) / LEP1 ve LEP2 ayrıntılı olarak incelendiler
W- W+ birbirinin karşı parçacığı, Z ise kendi kendinin
dönü 1: yani 3 polarizasyon yönleri var.
yarı ömürleri yaklaşık 3×10−25s
W %11 olasılıkla elektron ve elektron
nötrinosuna bozunuyor
Z %20 olasılıkla nötrino - antinötrino çiftine bozunuyor
LEP1 deki çalışmalar sayesinde hafif nötrinosu olan 3 aile olduğunu
biliyoruz.
27
Kuantum Renk Dinamiği
Hadronların kendi içlerinde ve birbirleriyle olan
etkileşmini açıklar
Renk yükü taşıyan parçacıklar arasındaki bu
etkileşim gluonlar tarafından yayılır
Renk yükü: kırmızı, yeşil, mavi
etkileşim kısa-menzillidir (10-15 m): çekirdeğin içi
renkli parçacıklar tek başına bulunamazlar.
protonun içi bir KRD denizidir.
28
gluonlar hakkında
1962 yılında Gell-Mann tarfından kurgulanmış
ve 1978 yılında Alman elektron
eşzamanlayıcısında (DESY) keşfedilmiştir.
Gluon kütlesiz bir parçacıktır.
Yük?
KED’in taşıyıcısı foton elektrik yükü taşımaz
KRD’nin taşıyıcısı gluon renk yükü taşır
8 çeşidi vardır:
Sadece gluonlardan oluşan bir parçacık
var olabilir ama henüz bulunmamıştır.
Gluonlar kendileri ile de etkileşir
29
Kuantum Renk Dinamiği
Renk hapsi
g
u
u
g
g
d
Koparma enerjisi kütleye dönüşür
proton
g u
d
g
g
d
nötron
Kavuşulmaz özgürlük
Asymptotic freedom
yüksek enerjiyle çekirdeğin içine bakılıp quarklara
yaklaştıkça bunlar bağlı değil, serbest gibi davranır.
kurgulanması 1974 —> Nobel 2004
30
Kuantum Renk Dinamiği
örnekler
31
Kütle çekimi
Klasik Mekanik
Isaac Newton
Özel Görelilik
Genel Görelilik
Albert Einstein
Uzayın Eğrilik metriği
Enerji Tensörü
32
Graviton?
Kuramsal bir parçacık
Madde ile etkileşim tesir kesiti çok küçük
gözlemlenmesi çok zor
LIGO, VIRGO - Kütle çekimi dalgaları arayan deneyler
Eğer varsa,
Kütlesiz olmalı - Kütle çekiminin etkisi sonsuz
Dönüsü 2 olmalı dereceden
Tμν Stres-Energy tensörü ikinci
33
ek: kuantum alan ve parçacık
Klasik anlamda alan: T(x,y,z,t)
uzay zamanda her noktaya bir değer vermek
Sıcaklık haritası —> Sayıl (scalar) alan
Rüzgar haritası —> Yönel (vector) alan
Kuantum alanı: ψ(x,y,z,t)
K. alanların karesi olasılık yoğunluk işlevi (probability density function): ψ*ψ
Klasik alanı KM özellikleri ekleyelim
ölçüm sırası önemli olsun (değişme bağlantısı - commutation relation)
enerji, açısal momentum sürekli değil kesikli olsun (kuantum) ve bir zemin enerji
değeri olsun.
Kuantum alanların ortalama değerleri klasik sonuçları versin
Parçacıklar ne?
Kesikli alanların enerji verilip uyarılmış halleri |ψ >
2
alan — çocuğun yaramazlık ihtimali, enerji — şeker, parçacık — yaramaz çocuk
EM K. alan —> foton, Elektron K. alanı —> elektron
34
35
Standart Model
• Elektrozayıf
+ Kuvvetli etkileşim
➡ ikisi aynı parçacıklar üzerine farklı
etki ediyorlar.
• Evren
tarifi:
➡ Çekirdekler, atomlar fermiyonları
uygun şekilde karıştırarak yapılır.
‣ p≈uud n≈udd
‣ Hidrojen≈p+e,
‣ Helyum≈n+n+p+p+e+e
➡ Fermiyonlar bozonlar sayesinde
etkileşir.
• Sonuç:
➡ SM & genel görecelik, yaşadığımız
evreni açıklar. (hepsini değil)
StandartModel:Saygınbirtarih
StandartmodelyüzyıllıkemeğinsonundaortayaçıkS.
Oluşturulmasındakuramvedeneyiçiçeyeraldı.
SMkuramsalolaraktutarlıdır,vedeney/gözlemiledoğrulanmışSr.
SMkeşfibilimsel
yönteminişleyişine
iyibirörnekPr.
Bilimselyöntem:
→deney/gözlem
sonuçlarınıaçıklayan
birvarsayımüret,
→varsayımıfarklı
deneylerlesına,
→doğrula,yada
yanlışsayenisini
üret.
36
SMgeçmişinden:Çekirdeğinkeşfi
beklenendenfarklıolan
Sene1904...elektronkaşifiThompsonatomuniçindearS
veeksiyüklerineşitdağılımlayüzdüğünüöneriyordu.
Rutherford,GeigerveMarsdenbuöneriyisınamakiçin
1911’dealSnfolyolaraHe+çekirdekleriateşlediler.İikkez
mikroskoplagörülmeyenparçacıklarıniçiaraşSrılıyordu.
beklenen
gözlenen
açıklama
Sonuç:Deneyinzaferi-merkezdekiyoğunçekirdekveetra`adönen
elektronlarileaçıklananRutherford-Bohratomu.
37
SMgeçmişinden:Muonkeşfi
beklenmedengelen
Sene1936...AndersonveNeddermayerbulutodasındakozmikışınları
incelerkeneksiyüklü,amamanyePkalandaelektrondandahaaz,
protondandahafazlabükülenbirparçacıkgözlediler.
Elektrondanağırprotondanhafifbuyeniparçacığınneolduğunubaşta
kimsebilemedi.Adınamumezondendi.
Osıradabenzerkütledeolanpimezonlargözlemlendi-pi’leridiğerleri
takiped.Fakathızlandırıcıvekozmikışınlarpivesonrakilerinher
türlüetkileşPğinigörürkenmu’leringüçlüetkileşmediğinigördü.
İşeanlamveremeyenIsidorRabi“Bunukimısmarladıki?!”dedi.
Sonundamuon’unelektronunağırkuzeniolduğuanlaşıldı.
muon!
pion!
π,-!-µ,-+-ν!
elektron!
µ,-!-e,-+-ν-+-ν!
38
SMgeçmişinden:Topkuarkkeşfi
beklenipdegelen
1973teKobayashiveMaskawa3.aileyiönermiş,1977debquark
keşfedilmişP.bkuarkileeşolacaktopkuarkınvarolmasıgerekPği
düşünülüyordu.
1980lar...Topkuarkın
özelliklerihesaplanabiliyor,
amakütlesibilinmiyordu.
SLAC,DESYveCERNdeki
hızlandırıcılarıntopkuark
yapmayaenerjileriyetmedi.
Topdahaağırolmalıydı.
Topkuarksonunda1995te
FermilabTevatron’daD0ve
CDFdeneylerince176GeV
kütledegözlemlendi.
39
PF birimleri
• Enerji – elektron volt (eV)
1 eV = 1.6 x 10-19 J
• 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım)
sahip olduğu kinetik enerji:
K = ½ mv2 ~ 20 J
• Yani yürürken kinetik enerjimiz:
20 J = 1.25 x 1020 eV
= 1.25 x 108 TeV
40
• Enerji: GeV
• Zaman: (GeV/ħ)-1
• Momentum: GeV/c
• Uzunluk: (GeV/ħc)-1
• Kütle: GeV/c2
• Alan: (GeV/ħc)-2
• ħ=c=1 alsak herşey
ne basit olur!
• Böylece, bütün fiziksel nicelikler GeV'in kuvvetleri
cinsinden ifade edilir.
• S.I. birimlerine geri dönüştürme için, ħ and c nin
gerekli çarpanları kullanılır.
41
Ödev:
İşaretli kuarklar diğerlerine
göre daha ağır. 1. ailede
durum 2. ve 3.ye göre farklı yani simetri kırılmış.
Eğer simetri korunmuş
olsaydı, yani up kuark down
kuarktan daha ağır olsaydı bu
nelere yol açardı?
42