766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Koko: px
Aloita esitys sivulta:

Download "766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka"

Transkriptio

1 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 5 Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 04 Hiukkasfysiikka Hiukkaskiihdyttimet Ydin- ja hiukkasfysiikan varhaisvaiheessa kokeellista tutkimusta tehtiin käyttämällä hyväksi luonnossa esiintyvien radioaktiivisten aineiden emittoimia α- ja β-hiukkasia. Tällöin jouduttiin tyytymään niihin muutamien MeV:n energioihin, joita tällaisissa hajoamisissa vapautuu. Nykyään käytetään hiukkaskiihdyttimiä, joilla voidaan tuottaa tarkoin kontrolloituja hiukkassuihkuja. Kiihdytetyt hiukkaset voivat vaihdella keveistä elektroneista ja positroneista raskaisiin ioneihin, ja niille voidaan antaa hyvin suuria energioita. Korkeaenergisten hiukkasten suihkuilla voidaan tutkia hiukkasreaktioita, sillä niiden törmäyksissä syntyy usein uusia hiukkasia. Koska niillä on lisäksi hyvin lyhyet de Broglie -aallonpituudet, niiden sironnan avulla on mahdollista erottaa (elektronimikroskoopin tavoin) yksityiskohtia muiden hiukkasten sisäisestä rakenteesta. Hiukkaskiihdyttimet käyttävät sähkökenttää varattujen hiukkasten kiihdyttämiseen. Niissä potentiaaliero V antaa hiukkaselle liike-energian K = ZeV, missä Ze on hiukkasen varauksen itseisarvo. Sähköstaattisissa kiihdyttimissä esimerkiksi Cockcroft-Walton- tai Van de Graaff -kiihdyttimessä käytetään staattista sähkökenttää. Niillä voidaan päästä noin 0 MV:n jännitteeseen ja raskailla ioneilla yli 300 MeV:n liike-energiaan. Paljon suurempia loppuenergioita voidaan saavuttaa käyttämällä värähteleviä sähkökenttiä joko lineaarikiihdyttimessä tai kehäkiihdyttimessä. Lineaarikiihdyttimissä hiukkaset etenevät suoraviivaisesti. Niissä käytetään peräkkäin sijoitettuja sylinterinmuotoisia elektrodeja, joiden välisissä raoissa oleva (sopivalla taajuudella värähtelevä) sähkökenttä lisää hiukkasten nopeutta (kuva ). Tällä hetkellä tehokkain lineaarikiihdytin on SLAC National Accelerator Laboratory -keskuksen (SLAC = Stanford Linear Accelerator Center) pääkiihdytin, jonka 3, km:n pituisessa putkessa elektronit ja positronit voidaan kiihdyttää 50 GeV:n energiaan. Tällöin niiden de Broglie -aallonpituus on 0,05 fm, joka on paljon pienempi kuin protonin tai neutronin koko. Kehäkiihdyttimissä varatut hiukkaset saadaan kiertämään kehää muuttamalla niiden liikesuuntaa magneettikentällä.

2 Kuva. Syklotronissa hiukkaset liikkuvat spiraaliradalla vakiona pysyvässä magneettikentässä (kuva ). Niitä kiihdytetään kahden puoliympyrän (D-kirjaimen) muotoisen elektrodin välisessä raossa olevassa sähkökentässä, jonka suunta vaihdetaan aina sopivaksi hiukkasten tullessa rakoon (kaksi kertaa jokaisella kierroksella). Jos hiukkasen nopeus on v, sitä vastaan kohtisuora magneettikenttä B kohdistaa siihen voiman F = ZevB. Jos hiukkasen massa on M, se liikkuu ympyrärataa, jonka säde on r = Mv F = Mv ZevB = Mv ZeB. (.) Kuva.

3 Koska hiukkasen nopeus kasvaa jokaisella kierroksella (kaksi kertaa), radan säde kasvaa koko ajan. Sen sijaan kiertoliikkeen kulmanopeus ω = v r = ZeB M 3 (.) pysyy epärelativistisessa liikkeessä vakiona. Tällöin myös syklotronin elektrodien välisen jännitteen taajuus voidaan pitää vakiona f = ω π = ZeB πm. (.3) Hiukkasten liikkuessa relativistisilla nopeuksilla massa M on korvattava relativistisella massalla M/ v /c, joten kulmanopeus alkaa suurilla nopeuksilla pienentyä: ω = ZeB v /c M. (.4) Tämä merkitsee sitä, että hiukkasten liikkeen taajuus ei enää ole sama kuin elektrodien välisen vaihtojännitteen taajuus (.3). Tämä ongelma voidaan välttää pienentämällä vaihtojännitteen taajuutta nopeuden kasvaessa siten, että se vastaa koko ajan syklotronissa liikkuvan hiukkasjoukon kiertotaajuutta. Tällöin kyseessä on synkrosyklotroni. Noin 8 m:n läpimittaista synkrosyklotronia käyttäen on protonit voitu kiihdyttää noin 600 MeV:n energiaan. Synkrotronissa hiukkaset pidetään suljetulla radalla kasvattamalla ohjaavan magneettikentän B voimakkuutta nopeuden v kasvaessa. Liike tapahtuu kiihdytinrenkaassa, jossa hiukkasia ohjataan useilla renkaan ympärille asetetuilla erillisillä sähkömagneeteilla (ei siis yhdellä koko liikeradan kokoisella magneetilla, kuten syklotronissa). Hiukkasten nopeutta kasvatetaan yhdessä tai useammassa raossa olevallä sähkökentällä, jonka taajuus pidetään koko ajan hiukkasjoukon kiertotaajuuden suuruisena (kuten synkrosyklotronissa) (kuva 3). Maailman tehokkain hiukkaskiihdytin oli pitkään Chicagon lähellä olevan Fermi-laboratorion (Fermi National Accelerator Laboratory) teraelektronivoltin Tevatron ( TeV = Kuva 3.

4 000 GeV = 0 ev), jonka toiminta lopetettiin budjettileikkausten takia vuonna 0. Sen kiihdytinrenkaan läpimitta oli km ja siinä käytettiin suprajohtavassa tilassa olevia sähkömagneetteja. Se pystyi kiihdyttämään protoneja ja antiprotoneja 0,980 TeV:n energiaan. Törmäyttimissä synkrotronirenkaissa vastakkaisiin suuntiin kierrätettyjen hiukkasten annetaan törmätä toisiinsa. Niissä kaksi synkrotronirengasta on kytketty lomittain siten, että niiden tyhjiöputket leikkaavat muutamissa kohdissa toisensa. Jos törmäävinä hiukkasina käytetään toistensa antihiukkasia (esimerkiksi elektroneja ja positroneja), joilla on vastakkaiset varaukset, kumpaakin suihkua voidaan kiihdyttää samassa renkaassa (kuva 4). Näin saadaan törmäyksen koko energia reaktioenergiaksi, koska systeemin massakeskipisteen liike-energia on nolla. Jos esimerkiksi törmäytetään kaksi 500 GeV:n kiihdyttimestä saatavaa hiukkasta toisiinsa, saadaan 000 GeV:n kokonaisenergia. Jos kohtio olisi levossa, tarvittaisiin 000 GeV:n reaktioenergian aikaansaamiseen protoneilla yli GeV:n kiihdytin, koska suurin osa energiasta kuluisi systeemin liikemäärän säilyttämiseen. Fermi-laboratorion Tevatronin muodostaman törmäyttimen kiihdytinrenkaassa voitiin kierrättää yhteen suuntaan 980 GeV:n protoneja ja vastakkaiseen suuntaan 980 GeV:n antiprotoneja, joten niiden törmäyksessä vapautuva energia oli,96 TeV. Törmäyttimessä voidaan käyttää varastorengasta, johon hiukkasia (esimerkiksi elektroneja, positroneja tai protoneja) kerätään kiertämään, kunnes suihkun intensiteetti on kasvanut riittävän suureksi. Suurin e + e -varastorengas on ollut LEP (Large Electron-Positron Collider), joka oli vuosina toiminnassa 7 km pitkässä maanalaisessa tunnelissa Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa (CERN) Geneven ulkopuolella Sveitsin ja Ranskan rajalla. Tässä laitteessa törmäyksessä vapautuva kokonaisenergia oli enimmillään 09 GeV. LEP purettiin, jotta samaan tunneliin voitiin rakentaa maailman suurin hiukkaskiihdytin ja hadronien törmäytin Large Hadron Collider eli LHC. Sen on tarkoitus kiihdyttää kahdessa rinnakkaisessa putkessa vastakkaisiin suuntiin kiertäviä protoneja 7 TeV:n energiaan (jolloin reaktioenergia on 4 TeV) tai lyijy-ytimiä 574 TeV:n energiaan. LHC käynnistettiin ensimmäisen kerran 0. syyskuuta 008, ja se toimi ennen 4. helmikuuta 03 alkanutta pitkää huoltokatkoa 4 TeV:n energialla protonia kohti. Katkon aikana LHC valmistellaan maksimienergian 7 TeV käyttöönottoon, jonka pitäisi tapahtua vuonna Kuva 4.

5 5 Kuva 5. LHC:ssä (kuva 5) protonit kiihdytetään aluksi lineaarikiihdyttimen ja kolmen peräkkäisen synktrotronin avulla vaiheittain 50 MeV:n,,4 GeV:n, 6 GeV:n ja 450 GeV:n energiaan. Tämän jälkeen ne ohjataan LHC:n molempiin kiihdytinputkiin. Yhden putken täyttämiseen kuluu 4 minuuttia ja 0 sekuntia, mutta valmisteluvaiheineen koko täyttöprosessi kestää noin 0 minuuttia. LHC:ssä protonien kiihdyttäminen suunniteltuun maksimienergiaan 7 TeV kestää 0 minuuttia. Normaalisti protonit kiertävät kiihdytyksen jälkeen LHC:n renkaissa 0 4 tuntia, jona aikana niiden annetaan törmätä toisiinsa neljässä hiukkassuihkujen leikkauskohdassa. LHC:n kumpikin protonisuihku muodostuu 808 hiukkasryhmästä (jotka ovat keskimäärin 9,5 m:n päässä toisistaan), joista jokaisessa on aluksi, 5 0 protonia. Törmäyspisteitä lähestyttäessä suihku fokusoidaan siten, että sen läpimitaksi tulee noin 6 µm. Kahden vastakkaisiin suuntiin liikkuvan hiukkasryhmän ( 0 protonin) kohdatessa tapahtuu noin 0 protoni-protoni-törmäystä. Koska hiukkasryhmät kohtaavat toisensa jokaisessa suihkujen leikkauskohdassa noin kertaa sekunnissa, LHC voi tuottaa näissä kohdissa törmäystä sekunnissa. Alkeishiukkasten historiaa Rutherfordin sirontakokeiden jälkeen vuonna 9 tiedettiin, että atomit muodostuvat elektroneista ja raskaasta, positiivisesti varatusta ytimestä, joka vetyatomin H tapauksessa on protoni. Toisaalta Einstein oli selittänyt valosähköisen ilmiön vuonna 905 käsittelemällä valoa varauksettomina ja massattomina hiukkasina, fotoneina (hiukkasen massalla tarkoitetaan tässä kappaleessa aina sen lepomassaa).

6 6 Neutroni Jos ytimessä olisi vain protoneja, tulisi sen järjestysluvun Z ja massaluvun A olla samoja. James Chadwick osoitti vuonna 93, että ytimessä on myös sähköisesti neutraaleja hiukkasia, neutroneja, joiden massa on lähellä protonin massaa. Niitä emittoituu esimerkiksi pommitettaessa berylliumia α-hiukkasilla: 9 4Be + 4 He 6C + 0n. (.) Koska neuroneilla ei ole sähkövarausta, ne on havaittava epäsuorasti, esimerkiksi havaitsemalla α-hiukkasia, joita syntyy neutronien absorboituessa booriytimiin: 0n + 0 5B 7 3Li + 4 He. (.) Elektroni, protoni, neutroni ja fotoni tarjosivat pohjan aineen rakenteen ymmärtämiselle, mutta kuva alkoi tulla moni-ilmeisemmäksi, kun löydettiin uusia hiukkasia. Positroni Paul Diracin vuonna 98 kehittämä Schrödingerin yhtälön relativistinen yleistys, Diracin yhtälö, antaa vapaalle elektronille (massa m e ) arvoituksellisia ratkaisuja. Sen mukaan elektronin energia E ei voi olla välillä ( m e c, +m e c ), mutta kaikki tämän välin ulkopuolella olevat sekä positiiviset että negatiiviset energiat ovat sallittuja (kuva 6(a)). Mikä tällöin estää normaalia positiivisen energian omaavaa elektronia (E m e c ) hyppäämästä negatiiviseen energiatilaan (E m e c ) emittoiden fotonin, jonka energia on m e c? Dirac esitti hypoteesin, jonka mukaan kaikki negatiiviset energiatilat on jo miehitetty elektroneilla, joten Paulin kieltosääntö estää uusien elektronien siirtymisen näihin tiloihin. Lisäksi Diracin oli oletettava, että tällainen negatiivisen energian omaavien elektronien ääretön meri käyttäytyy kuten tyhjiö. Jos negatiivisessa energiatilassa oleva (havaitsematon) elektroni absorboi fotonin, jonka energia on suurempi kuin m e c, se voi hypätä tyhjään positiiviseen energiatilaan. Tällöin siitä tulee normaali havaittava elektroni, ja sen jälkeensä jättämä tyhjä negatiivinen energiatila, aukko (engl. hole), voidaan havaita elektronin antihiukkasena, positronina. Fotoni voi siis luoda tyhjästä elektroni-positroni-parin (kuva 6(b)). Käänteisessä prosessissa tavallinen elektroni hyppää tyhjään negatiiviseen energiatilaan, jolloin sekä elektroni että aukko (s.o., positroni) häviävät ja vapautuu energiaa, joka pois- Kuva 6.

7 tuu fotoneina (kuva 6(c)). Tällöin tapahtuu elektroni-positroni-parin annihilaatio (engl. annihilation). Richard Feynman osoitti vuonna 949, että positronia voidaan kuvata matemaattisesti myös toisella tavalla, ajassa taaksepäin liikkuvana elektronina. Positronin ja elektronin energiat ovat positiivisia. Niillä on sama massa m e ja yhtä suuri, mutta vastakkaismerkkinen varaus ja gyromagneettinen suhde (s.o., positronin spinimpulssimomentti S ja siihen liittyvä magneettinen momentti µ ovat samansuuntaisia vektoreita, toisin kuin elektronilla). Elektroni-positroni-pareja muodostuu varattujen hiukkasten tai gammasäteiden törmätessä materiaan siten, että parinmuodostukseen (engl. pair production) on käytettävissä vähintään energia m e c =,0 MeV. Sama energia vapautuu kahtena (tai joskus kolmena) fotonina, kun elektroni ja positroni häviävät törmätessään toisiinsa. Annihilaatio yhdeksi fotoniksi ei ole energian ja liikemäärän säilymislakien mukaan mahdollista. Carl D. Anderson löysi positronin vuonna 93 tutkiessaan avaruudesta Maahan tulevaa kosmista säteilyä. Jokaisella hiukkasella on oma antihiukkasensa. Joissakin tapauksissa (esimerkiksi fotonilla) hiukkanen ja antihiukkanen ovat identtisiä, jolloin voidaan sanoa, että hiukkanen on itsensä antihiukkanen. Hiukkaset voimien välittäjinä Varattujen hiukkasten välistä Coulombin voimaa voidaan kuvata fotonien emissioiden ja absorptioiden avulla. Esimerkiksi kahden elektronin välille syntyy poistovoima, kun toinen elektroni emittoi fotonin, jonka toinen myöhemmin absorboi. Voidaan sanoa, että fotonit välittävät sähkömagneettisen vuorovaikutuksen hiukkasesta toiseen. Välittäjäfotonia sanotaan virtuaaliseksi fotoniksi (engl. virtual photon), koska se on olemassa vain hyvin lyhyen ajan t ja saa koko energiansa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaisesta energian epätarkkuudesta E h t. (.3) Mitä lyhyempi virtuaalisen fotonin elinaika t on, sitä suurempi sen lainaama energia E voi olla. Mesonit Vuonna 935 Hideki Yukawa esitti, että myös ydinvoimalla on välittäjähiukkanen, jota hän nimitti mesoniksi. Hän osoitti, että voiman kantama r 0 riippuu välittäjähiukkasen massasta m. Jos virtuaalisen hiukkasen elinaika on t, sen massa voi olla m = E/c h/(c t), missä E on energian epätarkkuus (.3). Ajassa t hiukkanen etenee matkan r 0 c t, jonka täytyy olla sen välittämän voiman kantama. Näin ollen kantamalle saadaan lauseke 7 r 0 c t h mc. (.4) Jos tähän sijoitetaan ydinvoiman kantama r 0 =, m, saadaan välittäjähiukkasen massaksi m =, kg = 30 MeV/c, joka on noin 50 kertaa suurempi kuin elektronin massa.

8 Tällaisten massallisten välittäjähiukkasten aiheuttama Yukawan potentiaalienergia on yksinkertaisimmassa muodossaan U(r) = f e r/r 0, (.5) r missä r on nukleonien välinen etäisyys ja kerroin f kuvaa vuorovaikutuksen voimakkuutta. Vuonna 937 kosmisesta säteilystä löydettiin kaksi uutta hiukkasta, myoni (engl. muon) µ ja sen antihiukkanen µ +. Niiden massa on noin 07 kertaa suurempi kuin elektronin massa, mutta ne eivät voi olla Yukawan ennustamia mesoneja, koska niiden vuorovaikutus ydinten kanssa on hyvin heikko. Vuonna 947 löydettiin kolme pionia (engl. pion) tai π-mesonia, joiden massa on noin 70 kertaa suurempi kuin elektronin massa. Ne voitiin tulkita Yukawan ennustamiksi hiukkasiksi, sillä niiden vuorovaikutus ydinten kanssa on vahva. Sellaisia kiihdyttimiä, joilla on voitu tehdä systemaattista hiukkasfysiikan tutkimusta, on ollut käytössä 940-luvun lopulta lähtien. Tämän jälkeen on löydetty suuri määrä uusia hiukkasia. 3 Hiukkaset ja vuorovaikutukset Neljä perusvoimaa Hiukkasten väliset perusvuorovaikutukset voidaan jakaa neljään eri tyyppiin. vuorovaikutuksen voimakkuuden mukaisessa järjestyksessä. vahva vuorovaikutus,. sähkömagneettinen vuorovaikutus, 3. heikko vuorovaikutus ja 4. gravitaatiovuorovaikutus. 8 Ne ovat Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ja gravitaatiovuorovaikutuksen kantama on äärettömän suuri. Niiden välittäjähiukkaset, fotoni (spin ) ja gravitoni (spin ), ovat massattomia ja stabiileja. Jos jonkin hiukkasen hajoaminen johtuu sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta, ko. hiukkasen keskimääräinen elinaika on suuruusluokkaa s. Gravitaatiovoima vaikuttaa kaikkien hiukkasten välillä, mutta on niin heikko, että sillä ei ole normaaleissa hiukkasprosesseissa merkitystä. Tästä syystä on ymmärrettävää, että gravitonia ei ole havaittu kokeellisesti. Vahva vuorovaikutus on vastuussa ydinvoimasta ja myös useiden hiukkasten (esimerkiksi pionien) muodostumisesta suurienergisissä törmäyksissä. Sen perimmäinen välittäjähiukkanen on massaton gluoni (engl. gluon), jonka spin on, mutta nukleonien välistä voimaa on helpompi kuvata yksinkertaistetulla mallilla, jossa välittäjähiukkaset ovat mesoneja. Vahvan vuorovaikutuksen kantama on noin 0 5 m. Jos vahva vuorovaikutus aiheuttaa hiukkasen hajoaminen, tämän hiukkasen (ns. resonanssin) keskimääräinen elinaika on hyvin lyhyt, alle 0 0 s (tyypillisesti suuruusluokkaa 0 3 s). Ydinvoiman vahvuutta voidaan kuvata Yukawan potentiaalienergian lausekkeessa (.5) esiintyvällä vakiolla f tai paremmin dimensiottomalla kytkentävakiolla (engl. coupling constant) f /( hc). Vastaava kytkentävakio sähkömagneettiselle vuorovaikutukselle on 4πϵ 0 e hc = 37, 0 = 7, (3.)

9 Näin ollen voidaan sanoa, että vahva vuorovaikutus on noin 00 kertaa voimakkaampi kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus (ja 0 38 kertaa voimakkaampi kuin gravitaatiovuorovaikutus). Ydinvoima kuitenkin heikkenee etäisyyden kasvaessa paljon nopeammin kuin Coulombin voima (tai gravitaatiovoima). Heikko vuorovaikutus on vastuussa monien epästabiilien hiukkasten hajoamisesta (esimerkiksi beetahajoamisesta). Tällaisten hiukkasten keskimääräinen elinaika on pitempi kuin 0 3 s yleensä suuruusluokkaa s, mutta vapaalla neutronilla se on 880 s (siis lähes 5 minuuttia). Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia ovat lyhytikäiset spin--hiukkaset W +, W ja Z 0, jotka eivät ole massattomia. Niiden massat ovat erittäin suuria, 80,385 GeV/c (W ± ) ja 9,88 GeV/c (Z 0 ), ja tästä syystä heikon vuorovaikutuksen kantama on vain 0 8 m. Se on lisäksi 0 9 kertaa heikompi kuin vahva vuorovaikutus. Heikon vuorovaikutuksen aiheuttamia prosesseja havaitaan yleensä vain silloin, kun vahvan ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen aiheuttamat prosessit eivät ole mahdollisia. Hiukkasten luokittelu Hiukkaset voidaan luokitella sen mukaan, mitä vuorovaikutuksia ne kokevat. Hadronit kokevat vahvan vuorovaikutuksen. Ne jaetaan baryoneihin ja mesoneihin: edelliset ovat fermioneja (spin, 3, 5,...) ja jälkimmäiset bosoneja (spin 0,,,...). Keveistä kvarkeista u, d ja s (kts. kappale 5) muodostuvat pitkäikäiset baryonit (joita vahva vuorovaikutus ei voi hajottaa) ovat protoni (p) ja neutroni (n) (jotka ovat nukleoneja) sekä lambda- (Λ 0 ), sigma- (Σ +, Σ 0, Σ ), ksii- (Ξ 0, Ξ ) ja oomega-hiukkaset (Ω ) (jotka ovat hyperoneja), ja lisäksi niiden antihiukkaset (taulukko ). Niiden hajoaminen johtuu heikosta vuorovaikutuksesta, paitsi hyperonilla Σ 0, jolla se johtuu sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta (tästä syystä Σ 0 :n elinaika on vain 7, s). Protoni näyttää olevan stabiili hiukkanen. 9 Taulukko Keveistä kvarkeista u, d ja s muodostuvat pitkäikäiset baryonit (keskimääräinen elinaika > 0 0 s). Kaikkien taulukossa annettujen hiukkasten baryoniluku on B = + ja leptoniluvut ovat L e = L µ = L τ = 0. S on hiukkasen outous, τ on isospin ja τ z on isospinin z-komponentti. Hiukkasen hypervaraus on Y = B + S = + S ja sähkövaraus on Q/e = τ z + Y/. Nimi Massa Elinaika Spin S τ τ z Kvarkki- (MeV/c ) (s) sisältö Protoni p 938,7 pysyvä 0 + uud Neutroni n 939, udd Lambda Λ 0 5,7, uds Σ + 89,4 8, uus Sigma Σ 0 9,6 7, uds Σ 97,4, dds Ksii Ξ 0 34,9, uss Ξ 3,7, dss Oomega Ω 67,5 8, sss

10 Taulukko Keveistä kvarkeista u, d ja s muodostuvat pitkäikäiset mesonit (keskimääräinen elinaika > 0 9 s). Kaikkien taulukossa annettujen hiukkasten baryoniluku on B = 0 ja leptoniluvut ovat L e = L µ = L τ = 0. Hiukkasten hypervaraus on Y = B + S = S ja sähkövaraus on Q/e = τ z + Y/ = τ z + S/. Nimi Massa Elinaika Spin S τ τ z Kvarkki- (MeV/c ) (s) sisältö π + 39,57, u d Pioni π 0 34,98 8, uū d d π 39,57, ūd K + 493,68, u s Kaoni K 0 497,6 5, 0 8 ; 0 + d s (a) 8, 95 0 Eeta η 0 547,85 5, uū+d d s s (a) Neutraali kaoni K 0 (tila d s) on tilojen d s+s d ja d s s d superpositio. Näissä kahdessa tilassa olevilla kaoneilla K 0 L (long lived kaon) ja K0 S (short lived kaon) on taulukossa annetut eri elinajat, joten kaonilla K 0 on kaksi elinaikaa. 0 Taulukon mukaisesti keveistä kvarkeista u, d ja s muodostuvia pitkäikäisiä mesoneja ovat pionit (π +, π 0 ), kaonit (K +, K 0 ) ja eeta-hiukkanen (η 0 ), sekä niiden antihiukkaset (π on π + :n antihiukkanen). Niiden hajoaminen aiheutuu heikosta vuorovaikutuksesta, paitsi π 0 - ja η 0 -mesoneilla, joilla se aiheutuu sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Leptonit (taulukko 3) kokevat heikon vuorovaikutuksen, mutta eivät vahvaa vuorovaikutusta. Kaikkien leptonien spin on, joten ne ovat fermioneja. Leptoneja ovat elektroni (e), myoni (µ) ja tau (τ) sekä niiden neutriinot (ν e, ν µ, ν τ ) ja näiden antihiukkaset. Leptonit ovat stabiileja, paitsi myoni ja tau, joiden hajoaminen johtuu heikosta vuorovaikutuksesta. Kosmologisten havaintojen perusteella on päätelty, että neutriinojen ν e, ν µ ja ν τ massojen summa on korkeintaan 0,3 ev/c. Toisaalta tiedetään, että ainakin yhden neutriinon massan täytyy olla vähintään 0,04 ev/c. Voimakenttien välittäjähiukkasia ovat gravitoni (gravitaatiovuorovaikutus), fotoni (sähkömagneettinen vuorovaikutus), W + -, W - ja Z 0 -bosonit (heikko vuorovaikutus) sekä 8 erilaista gluonia (vahva vuorovaikutus). Hiukkasfysiikan ns. standardimallin (kts. kappale 6) viimeinen puuttuva palanen on Higgsin bosoni. Se on alkeishiukkasten massan aiheuttavan voimakentän (Higgsin kentän) kvantti, jonka löytyminen vahvistettiin vuonna 03. Taulukko 3 Leptonit. Kaikkien taulukossa annettujen hiukkasten baryoniluku on B = 0. Nimi Massa Elinaika Spin L e L µ L τ (MeV/c ) (s) Elektroni e 0,500 pysyvä Myoni µ 05,66, Tau τ 776,8, Elektronin neutriino ν e < pysyvä Myonin neutriino ν µ < pysyvä Taun neutriino ν τ < pysyvä 0 0 +

11 4 Säilymislait Hiukkasista näyttävät olevan stabiileja vain elektroni ja protoni sekä neutriinot ja fotoni (sekä näiden antihiukkaset). Kaikissa hiukkasreaktioissa säilyvät. energia,. liikemäärä, 3. impulssimomentti ja 4. sähkövaraus. On olemassa hyvin paljon hiukkasreaktioita, jotka olisivat näiden säilymislakien sallimia, mutta joita ei kuitenkaan ole koskaan havaittu. Tämä merkitsee sitä, että on olemassa muitakin kaikissa hiukkasreaktioissa säilyviä suureita. Nämä suureet voidaan esittää kvanttiluvuilla L e, L µ ja L τ (leptoniluvut) sekä B (baryoniluku): 5. Leptoniluvut L e, L µ, L τ : e-, µ- tai τ-ryhmään (i-ryhmään) kuuluvalla leptonilla (esimerkiksi e ja ν e ) L i =, samaan ryhmään kuuluvalla antileptonilla (esimerkiksi e + ja ν e ) L i = ja muilla hiukkasilla L i = 0 (esimerkiksi myonilla µ L e = 0). Esimerkiksi reaktiossa µ e + ν e + ν µ leptoniluvut säilyvät: L e = 0 (+) + ( ) + (0) = 0, L µ = (0) + (0) + () = ja L τ = 0 (0) + (0) + (0) = Baryoniluku B: baryoneilla B =, antibaryoneilla B = ja muilla hiukkasilla B = 0 Esimerkiksi hajoaminen p K + + π 0 on baryoniluvun säilymislain perusteella kielletty: B = (0) + (0) = 0. Lisäksi on olemassa suureita, jotka säilyvät esimerkiksi vahvoissa ja sähkömagneettisissa vuorovaikutuksissa, mutta eivät säily heikoissa vuorovaikutuksissa. Isospin Ydinvoima vaikuttaa protoniin ja neutroniin samalla tavalla, ja niillä on lähes sama massa. Tästä syystä Werner Heisenberg esitti, että jos sähkömagneettinen vuorovaikutus voitaisiin kytkeä pois, protonia ja neutronia voitaisiin pitää yhden hiukkasen, nukleonin, eri tiloina. Näitä tiloja voidaan kuvata samalla tavoin kuin hiukkasen spintiloja ottamalla käyttöön uusi kvanttiluku, jota sanotaan isospiniksi. Jos hiukkasen isospin on τ, sillä on τ + mahdollista suuntaa abstraktissa isospinavaruudessa. Nämä suunnat vastaavat hiukkasen eri tiloja. Nukleonin τ =, joten se voi olla isospinavaruudessa kahdessa eri suunnassa. Jos isospin on ylös (τ z = ), hiukkanen on protoni, ja jos se on alas (τ z = ), hiukkanen on neutroni. Protoni ja neutroni muodostavat siis isospindupletin. Yleisesti, hadronit voidaan jakaa ryhmiin, multipletteihin, joihin kuuluvat hiukkaset vastaavat yhden kantahiukkasen isospinvektorin eri suuntia isospinavaruudessa (suunnan muuttaminen muuttaa hiukkasen varausta). Esimerkiksi η 0, Ω ja Λ 0 ovat isospinsinglettejä (τ = 0). Vastaavasti (p,n), (K +,K 0 ) ja (Ξ 0, Ξ ) ovat isospindupletteja (τ = ) ja (Σ+, Σ 0, Σ ) sekä (π +, π 0, π ) ovat isospintriplettejä (τ = ). Hiukkassysteemin isospin T saadaan yhdistämällä hiukkasten isospinvektorit impulssimomentin yhdistämissääntöjen mukaisesti. Esimerkiksi kahden protonin systeemissä kummankin hiukkasen τ =, joten impulssimomentin yhdistämissääntöjen mukaan kvanttiluku T on joko 0 tai. Koska lisäksi kummankin hiukkasen isospinkomponentti τ z =, isospinvektorit ovat samansuuntaiset, joten T z = τ z + τ z = ja siis T =.

12 Kokonaisisospin T säilyy vahvoissa vuorovaikutuksissa. Sen komponentti T z säilyy vahvoissa ja sähkömagneettisissa vuorovaikutuksissa. T ja T z eivät välttämättä säily heikoissa vuorovaikutuksissa, kuten hajoamisessa K 0 π + + π : T z = () + ( ) = 0, T = 0, tai. Outous Koska ytimessä on Z protonia (joiden τ z = ) ja A Z neutronia (joiden τ z = ), ytimen isospinin z-komponentti on T z = τ iz = Z ( + (A Z) ) = Z A. (3.) i Ytimen sähkövaraus voidaan siis kirjoittaa muodossa ( Q = Ze = e T z + A ). (3.3) Analogisesti tämän kanssa tarkasteltavan alkeishiukkasen varaus voidaan esittää muodossa ( Q = e T z + Y ) ( = e τ z + Y ), (3.4) missä Y on uusi kvanttiluku, ns. hypervaraus, joka on baryoniluvun B ja outouden (engl. strangeness) S summa: Y = B + S. Kokonaisoutous S säilyy vahvoissa ja sähkömagneettisissa vuorovaikutuksissa. Heikoissa vuorovaikutuksissa S:n muutos S on 0 tai ±. Esimerkiksi edellä tarkastellussa hajoamisessa K 0 π + + π outous ei säily: S = (0) +(0) = 0. Tästä syystä hajoaminen ei aiheudu vahvasta eikä sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta, vaan heikosta vuorovaikutuksesta. Kaonin K 0 elinaika onkin hyvin pitkä (0 0 s) verrattuna vahvan vuorovaikutuksen perusteella odotettuun elinaikaan (0 3 s). Lumo-, pohja- ja huippukvanttiluvut Neljänteen, viidenteen ja kuudenteen kvarkkiin lumo-, pohja- ja huippukvarkkiin liittyvät uudet kvanttiluvut lumo (C, engl. charm), pohjakvanttiluku ( B, engl. bottomness) ja huippukvanttiluku ( T, engl. topness). Kun ne otetaan huomioon, hypervarauksen lauseke on yleistettävä muotoon Y = B + S + C + B + T. Ne säilyvät vahvoissa ja sähkömagneettisissa vuorovaikutuksissa. 5 Hadronien sisäinen rakenne Vuonna 964 Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat (toisistaan riippumatta), että kaikki silloin tunnetut hadronit rakentuvat kolmesta alkeishiukkasesta, u-, d- ja s- kvarkeista (ylös, alas ja outo, engl. up, down ja strange). Nykyisen käsityksen mukaan kvarkkeja on kuusi: u-, d- ja s-kvarkkien lisäksi tarvitaan c-, b- ja t-kvarkit (lumo, pohja ja huippu, engl. charmed, bottom ja top). Lisäksi jokainen näistä kuudesta kvarkkityypistä

13 3 Taulukko 4 Kvarkit. Kaikkien kvarkkien spin on, baryoniluku on B = 3 ovat L e = L µ = L τ = 0. ja leptoniluvut Kvarkki Massa (MeV/c ) S C B T Y Q/e τ τz u,7 3, d 4, 5, s c b t 7900 ± S = outous (engl. strangeness) C = lumo (engl. charm) B = pohjakvanttiluku (engl. bottomness) T = huippukvanttiluku (engl. topness) Y = B + S + C + B + T = 3 + S + C + B + T = hypervaraus (engl. hypercharge) Q/e = τ z + Y/ = sähkövaraus/e (engl. electric charge) τ = isospin (engl. isospin) τ z = isospinin z-komponentti (engl. isospin z component) voi esiintyä kolmessa erilaisessa sisäisessä tilassa; sanotaan, että jokaisella kvarkilla voi olla kolme eri väriä (värivarausta). Kvarkkien massat ja kvanttiluvut on esitetty taulukossa 4. Antikvarkkien muut kvanttiluvut paitsi spin ja isospin (τ) ovat vastakkaismerkkisiä esimerkiksi ylöskvarkin (u) antihiukkasella (ū) B = Y = 3, τ z = ja Q = (τ z + Y/)e = 3 e. Kvarkkimallin mukaan baryonit muodostuvat kolmesta kvarkista, esimerkiksi protoni p = (uud) mesonit muodostuvat kvarkeista ja antikvarkeista, esimerkiksi K + = (u s) gluonien välittämä vahva vuorovaikutus pitää kvarkit yhdessä. Gluoneja on 8 kappaletta, ja niilläkin on erilaisia värivarauksia. Itse asiassa hadronien välinen vahva vuorovaikutus on jäännösvoima, joka johtuu kvarkkien välisistä värivoimista. Tästä syystä vahvan vuorovaikutuksen teoria on näiden värivoimien teoriaa, jota sanotaan kvanttiväridynamiikaksi (QCD, quantum chromodynamics). 6 Standardimalli Vahvojen vuorovaikutusten kvanttiväridynamiikka sekä sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen yhdistävä ns. sähköheikko teoria (engl. electroweak theory) muodostavat kokonaisuuden, jota sanotaan hiukkasfysiikan standardimalliksi (engl. standard model). Siihen kuuluu kolme hiukkasryhmää (kuva 7): () kuusi leptonia, joilla ei ole vahvoja vuorovaikutuksia, () kuusi kvarkkia, joista kaikki hadronit muodostuvat, ja (3) viisi bosonia vuorovaikutusten välittäjähiukkaset, ns. mittabosonit (engl. gauge bosons) gluoni, fotoni, W ± -hiukkanen ja Z 0 -hiukkanen (W + ja W ovat toistensa antihiukkasia), sekä Higgsin bosoni H 0.

14 4 Kuva 7. Sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaava teoria, kvanttielektrodynamiikka, on fysiikan tarkin teoria, jonka ennusteet pätevät jopa yhdentoista numeron tarkkuudella. Sen ominaispiirteenä ovat muodollisesti äärettömät luvut, joita laskuissa käytettäviin lausekkeisiin välivaiheissa ilmaantuu. Näitä äärettömyyksiä voidaan kuitenkin käsitellä matemaattisen ristiriidattomasti ja lopputuloksessa ne kumoavat toisensa. Tätä kutsutaan renormalisaatioksi. 950-luvulla Sheldon Glashow ehdotti, että heikkoja vuorovaikutuksia välittää massiivinen hiukkanen, ns. välibosoni. Hänen teoriansa ei kuitenkaan ollut renormalisoitavissa, joten sen avulla ei voitu saada äärellisiä tuloksia. Vuonna 967 Steven Weinberg ja hieman myöhemmin hänestä riippumatta Abdus Salam kehittivät teorian, joka yhdistää heikon ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen saman vuorovaikutuksen eri ilmenemismuodoiksi. Heidän oivalluksensa oli, että välibosonit voisivat alunperin olla massattomia, jos teoriassa tapahtuisi ns. spontaani symmetrian rikko. Vuonna 973 Gerardus t Hooft osoitti, että tämä sähköheikko teoria oli renormalisoituva. Teoria ennustaa välibosonien W ± ja Z 0 ominaisuudet, mm. niiden massat. Teorian mukaan sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen hyvin erilainen käyttäytyminen johtuu niiden välittäjähiukkasten erilaisista massoista: fotoni on massaton, mutta W ± - ja Z 0 -hiukkasten massat ovat 80,4 GeV/c ja 9, GeV/c. Riittävän korkeilla energioilla ( 00 GeV) ero kuitenkin häviää, ja molemmat vuorovaikutukset sulautuvat yhteen. Tämä ennuste osoittautui oikeaksi ja välibosonit löydettiin vuonna 983 CERNin protoniantiprotoni-törmäyttimellä. Glashow, Salam ja Weinberg saivat Nobelin palkinnon vuonna 979, t Hooft vuonna 999 ja CERNin kokeellisia ryhmiä johtaneet Carlo Rubbia ja Simon van der Meer vuonna 984.

15 Mikä aiheuttaa sähköheikon vuorovaikutuksen spontaanin symmetriarikon, joka antaa välibosoneille nollasta poikkeavan massan? Suosituin vaihtoehto on ns. Higgsin mekanismi, jonka pitäisi olla vastuussa muidenkin alkeishiukkasten (leptonien ja kvarkkien) massoista. Tässä teoriassa koko tyhjiön täyttää voimakenttä, ns. Higgsin kenttä, ja alkeishiukkaset saavat massansa vuorovaikuttaessaan tämän kentän kanssa. Kentän kvantit ovat Higgsin bosoneja. Ne poikkeavat ratkaisevasti muista alkeishiukkasista, sillä niiden spin on 0 leptonien ja kvarkkien spin on ja vuorovaikutusten välittäjähiukkasten spin on (paitsi gravitonilla, jolla se on ). LHC:n tutkijat ilmoittivat 4. heinäkuuta 0 löytäneensä uuden hiukkasen, jonka massa on 5, 9 ± 0, 4 GeV/c ja jonka ominaisuudet näyttävät sopivan standardimallin mukaisen Higgsin bosonin ominaisuuksiin. Hiukkanen vahvistettiin mm. sen spinistä, pariteetista ja vuorovaikutuksista saatujen uusien havaintotulosten perusteella 4. maaliskuuta 03 Higgsin bosoniksi. Vielä ei tiedetä, ovatko löydetyn hiukkasen kaikki ominaisuudet standardimallin mukaisia, tai onko olemassa eräiden teorioiden ennustamia raskaampia Higgsin bosoneita. Tarvitaan lisää mittaustuloksia mm. havaitun bosonin hajoamisista muiksi hiukkasiksi. Tämä vie aikaa, sillä LHC:ssä havaitaan yksi Higgsin bosoni noin 0 protoni-protoni-törmäystä kohti. 5 7 Suuret yhtenäisteoriat Sähköheikon teorian kätketty symmetria tulee näkyviin, kun hiukkasten energia tulee paljon välibosonien W ± ja Z 0 lepoenergiaa suuremmaksi. Tällöin fotonien ja välibosonien massaerolla ei ole suurta merkitystä, ja heikko vuorovaikutus alkaa käyttäytyä samoin kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus. Suurissa yhtenäisteorioissa (engl. Grand Unified Theory, GUT) myös vahva vuorovaikutus alkaa käyttäytyä riittävän suurilla energioilla samoin kuin sähköheikko vuorovaikutus. Tämä riittävä energia on kuitenkin niin suuri, luokkaa 0 5 GeV, että sitä ei näkyvissä olevassa tulevaisuudessa voida millään hiukkaskiihdyttimellä saavuttaa. Siitä huolimatta sama yhtenäisteoria kuvaa sekä vahvaa, heikkoa että sähkömagneettista vuorovaikutusta, jotka tällä tavoin yhdistyvät yhdeksi vuorovaikutukseksi. Esimerkiksi Sheldon Glashowin ja Howard Georgin esittämässä yhtenäisteoriassa alkuperäisellä kentällä on 4 massatonta välittäjähiukkasta. Ensimmäisessä symmetriarikossa hiukkasta saa erittäin suuren massan, mutta loput (8 gluonia, W ±, Z 0 ja fotoni) jäävät massattomiksi. Tällöin vahva vuorovaikutus saa erilaiset ominaisuudet kuin sähköheikko vuorovaikutus. Jälkimmäinen vuorovaikutus jakautuu kahteen erilaiseen osaan toisessa symmetriarikossa, jossa W ± ja Z 0 saavat suuret massat. Tämä teoria selittää luonnollisella tavalla mm. leptonien ja kvarkkien sähkövaraukset (leptoneilla e ja kvarkeilla e/3 ja e/3) sekä sen, miksi materiahiukkaset esiintyvät kahden kvarkin ja kahden leptonin muodostamina ryhminä. Tässä teoriassa neutriinojen massa on nolla (kuten standardimallissakin), mutta useimmissa muissa yhtenäisteorioissa neutriinoilla on nollasta eroava massa. Jälkimmäinen ennuste vastaa koetuloksia. Yhdistymisenergian yläpuolella myös kvarkit ja leptonit käyttäytyisivät samalla tavalla. Useimmissa teorioissa kvarkki voi muuttua leptoniksi emittoimalla hyvin massiivisen bosonin. Esimerkiksi Glashowin ja Georgin teoriassa ko. bosonin massa on (3 6) 0 4 GeV ja tästä syystä protonin elinikä on 0 3± vuotta. Eräissä uudemmissa teorioissa protonin elinikä on huomattavasti pitempi, 0 36 vuotta. Protoni hajoaisi pääasiassa positroniksi ja pioniksi: p e + + π 0.

16 USA:ssa, Japanissa, Intiassa ja Euroopassa käynnistettiin 980-luvulla useita mittauksia, joissa satojen tai tuhansien tonnien vesimääriä tarkkaillaan protonin hajoamisessa syntyvien positronien havaitsemiseksi. Tarkimmat havainnot on tehty Super-Kamiokandelaboratoriossa Japanissa. Se sijaitsee syvällä vanhassa sinkkikaivoksessa ja sen havaintolaitteena on tonnia puhdasta vettä sisältävä säiliö, jonka seinämissä on noin 00 fotomonistinputkea. Toistaiseksi yhdenkään protonin ei kuitenkaan ole nähty hajoavan, ja protonin puoliintumisajan kokeellinen alaraja on tällä hetkellä 6, vuotta, eräiden uudempien tulosten perusteella mahdollisesti jopa, vuotta. 6

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1 Ydin- ja hiukkasfysiikka 04: Harjoitus 5 Ratkaisut Tehtävä a) Vapautunut energia saadaan laskemalla massan muutos reaktiossa: E = mc = [4(M( H) m e ) (M( 4 He) m e ) m e ]c = [4M( H) M( 4 He) 4m e ]c =

Lisätiedot

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi 8. Hiukkasfysiikka Hiukkasfysiikka kuvaa luonnon toimintaa sen perimmäisellä tasolla. Hiukkasfysiikan avulla selvitetään maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä. Tutkimuskohteena ovat atomin ydintä pienemmät

Lisätiedot

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1 Mistä aine koostuu? - kaikki aine koostuu atomeista - atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista - neutronit ja protonit koostuvat pienistä hiukkasista, kvarkeista Alkeishiukkaset - hiukkasten

Lisätiedot

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen: Alkeishiukkaset Alkeishiukkaset Standarimalliin pohjautuen: Alkeishiukkasiin lasketaan perushiukkaset (fermionit) ja alkeishiukkasbosonit. Ne ovat nykyisen tiedon mukaan jakamattomia hiukkasia. Lisäksi

Lisätiedot

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta Teoreetikon kuva Teoreetikon kuva hiukkasten hiukkasten maailmasta maailmasta ja ja maailmankaikkeudesta maailmankaikkeudesta Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Lapua 5. 5. 2012 Miten

Lisätiedot

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat Alkeishiukkaset perushiukkaset kvarkit (antikvarkit) leptonit (antileptonit) hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat baryonit mesonit mittabosonit eli vuorovaikutuksien välittäjähiukkaset Higgsin

Lisätiedot

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson Hiukkasfysiikkaa Tapio Hansson Aineen Rakenne Thomson onnistui irrottamaan elektronin atomista. Rutherfordin kokeessa löytyi atomin ydin. Niels Bohrin pohdintojen tuloksena elektronit laitettiin kiertämään

Lisätiedot

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto Hiukkasfysiikka Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto Nobelin palkinto hiukkasfysiikkaan 2013! Robert Brout (k. 2011), Francois Englert, Peter

Lisätiedot

Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura Atomi Aine koostuu molekyyleistä Atomissa on ydin ja fotonien ytimeen liittämiä elektroneja Ytimet muodostuvat

Lisätiedot

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa SUPER- SYMMETRIA Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa Teemu Löyttinen & Joni Väisänen Ristiinan lukio 2008 1. Sisällysluettelo 2. Aineen rakenteen standardimalli

Lisätiedot

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson Aineen rakenteesta Tapio Hansson Ykköskurssista jo muistamme... Atomin käsite on peräisin antiikin Kreikasta. Demokritos päätteli alunperin, että jatkuva aine ei voi koostua äärettömän pienistä alkeisosasista

Lisätiedot

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Vuorovaikutukset on perinteisesti jaettu neljään: Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Sähköheikkoteoria

Lisätiedot

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä) Q3-1 Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä) Lue erillisessä kuoressa olevat yleisohjeet ennen tämän tehtävän aloittamista. Tässä tehtävässä tarkastellaan maailman suurimman hiukkasfysiikan

Lisätiedot

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson Hiukkaskiihdyttimet Tapio Hansson Miksi kiihdyttää hiukkasia? Hiukkaskiihdyttimien kehittäminen on ollut ehkä tärkein yksittäinen kehityssuunta alkeishiukkasfysiikassa. Hyöty, joka saadaan hiukkasten kiihdyttämisestä

Lisätiedot

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Vuorovaikutukset on perinteisesti jaettu neljään: Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Sähköheikkoteoria

Lisätiedot

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka 1 76633A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 3 5-3 Kuorimalli Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 011 Kuva 7-13 esittää, miten parillis-parillisten ydinten ensimmäisen

Lisätiedot

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja fysiikan tutkimuslaitos www.helsinki.fi/yliopisto 1 Modernin fysiikan sukupuu Klassinen mekaniikka

Lisätiedot

Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku. Oili Kemppainen

Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku. Oili Kemppainen Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku Oili Kemppainen 29.09.2009 Hiukkasfysiikka tutkii luonnon perusrakenteita Käsitykset aineen rakenteesta ja luonnonlaeista muuttuneet radikaalisti Viimeisin murros 1960-

Lisätiedot

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan näkökulmasta, vastaavia

Lisätiedot

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa Sami RäsänenR SISÄLTÖ: Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus,

Lisätiedot

Vuorovaikutuksien mittamallit

Vuorovaikutuksien mittamallit Vuorovaikutuksien mittamallit Hiukkasten vuorovaikutuksien teoreettinen mallintaminen perustuu ns. mittakenttäteorioihin. Kenttä viittaa siihen, että hiukkanen kuvataan paikasta ja ajasta riippuvalla funktiolla

Lisätiedot

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski LHC -riskianalyysi Emmi Ruokokoski 30.3.2009 Johdanto Mikä LHC on? Perustietoa ja taustaa Mahdolliset riskit: mikroskooppiset mustat aukot outokaiset magneettiset monopolit tyhjiökuplat Emmi Ruokokoski

Lisätiedot

Neutriino-oskillaatiot

Neutriino-oskillaatiot Neutriino-oskillaatiot Seminaariesitys Joonas Ilmavirta Jyväskylän yliopisto 29.11.2011 Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 1 / 16 Jotain vikaa β-hajoamisessa Ytimen β-hajoamisessa

Lisätiedot

Perusvuorovaikutukset

Perusvuorovaikutukset Perusvuorovaikutukset Mikko Mustonen Mika Kainulainen CERN tutkielma Nurmeksen lukio Syksy 2009 Sisältö 1 Johdanto... 3 2 Perusvuorovaikutusten historia... 3 3 Teoria... 6 3.1 Gravitaatio... 6 3.2 Sähkömagneettinen

Lisätiedot

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia 8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia Aineen alkeellisin rakenne Miten hiukkasia tutkitaan? Hiukkaset ja vuorovaikutukset Kvarkit Symmetriat ja vuorovaikutuksien yhtenäistäminen Maailmankaikkeuden rakenne Varhainen

Lisätiedot

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014 Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014 CERN ja LHC LHC-kiihdytin ja sen koeasemat sijaitsevat 27km pitkässä tunnelissa noin 100 m maan alla Ranskan ja Sveitsin raja-alueella.

Lisätiedot

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos Suomalainen tutkimus LHC:llä Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos 2.12.2009 Mitä hiukkasfysiikka tutkii? Hiukkasfysiikka tutkii aineen pienimpiä rakennusosia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia.

Lisätiedot

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus Hyvä käyttäjä! Tämä pdf-tiedosto on ladattu Tieteen Kuvalehden verkkosivuilta (www.tieteenkuvalehti.com). Tiedosto on tarkoitettu henkilökohtaiseen käyttöön, eikä sitä saa luovuttaa kolmannelle osapuolelle.

Lisätiedot

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan

Lisätiedot

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka 1 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 4 Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 01 6 Radioaktiivisuus Kuva 1 esittää radioaktiivisen aineen ydinten lukumäärää

Lisätiedot

STANDARDIMALLI. Perus- Sähkö- Elektronin Myonin Taun hiukka- varaus perhe perhe perhe set

STANDARDIMALLI. Perus- Sähkö- Elektronin Myonin Taun hiukka- varaus perhe perhe perhe set STANDARDIMALLI Fysiikan standardimalli on hiukkasmaailman malli, joka liittää yhteen alkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset gravitaatiota lukuun ottamatta. Standardimallin mukaan kaikki aine koostuu

Lisätiedot

Tampere 14.12.2013. Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Tampere 14.12.2013. Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto Tampere 14.12.2013 Higgsin bosoni Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto Perustutkimuksen tavoitteena on löytää vastauksia! yksinkertaisiin peruskysymyksiin. Esimerkiksi: Mitä on massa?

Lisätiedot

Arttu Haapiainen ja Timo Kamppinen. Standardimalli & Supersymmetria

Arttu Haapiainen ja Timo Kamppinen. Standardimalli & Supersymmetria Standardimalli & Supersymmetria Standardimalli Hiukkasfysiikan Standardimalli on teoria, joka kuvaa hiukkaset ja voimat, jotka vaikuttavat luonnossa. Ympärillämme näkyvä maailma koostuu ylös- ja alas-kvarkeista

Lisätiedot

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén CERN = maailman suurin hiukkastutkimuslaboratorio Sveitsin ja Ranskan rajalla,

Lisätiedot

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa Kari Rummukainen Mitä hiukkasfysiikka tutkii? Mitä Oulussa tutkitaan? Opiskelu ja sijoittuminen työelämässä Teoreettinen fysiikka: työkaluja

Lisätiedot

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa Tapio Hansson Laskentoa SI-järjestelmä soveltuu hieman huonosti kvantti- ja hiukaksfysiikkaan. Sen perusyksiköiden mittakaava

Lisätiedot

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017 Kvanttifysiikan perusteet 207 Harjoitus 2: ratkaisut Tehtävä Osoita hyödyntäen Maxwellin yhtälöitä, että tyhjiössä magneettikenttä ja sähkökenttä toteuttavat aaltoyhtälön, missä aallon nopeus on v = c.

Lisätiedot

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi Kvantittuminen Planckin kvanttihypoteesi Kappale vastaanottaa ja luovuttaa säteilyä vain tietyn suuruisina energia-annoksina eli kvantteina Kappaleen emittoima säteily ei ole jatkuvaa (kvantittuminen)

Lisätiedot

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1 Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus Ratkaisut Tehtävä i) Isotoopeilla on sama määrä protoneja, eli sama järjestysluku Z, mutta eri massaluku A. Tässä isotooppeja keskenään ovat 9 30 3 0 4Be ja 4 Be, 4Si,

Lisätiedot

Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa

Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa Timo J. Kärkkäinen timo.j.karkkainen@helsinki.fi Teoreettisen fysiikan syventävien opintojen seminaari, Helsingin yliopiston fysiikan laitos 11. lokakuuta

Lisätiedot

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista K. Kajantie keijo.kajantie@helsinki.fi Tampere, 14.12.2008 Fysiikan (teoreettisen) professori, Helsingin yliopisto, 1970-2008

Lisätiedot

Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire CERN on maailman suurin hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Ranskan ja Sveitsin rajalla lähellä Geneveä Peruste;u 1954 Suomi lii;yi 1991 21 jäsenmaata

Lisätiedot

Atomimallit. Tapio Hansson

Atomimallit. Tapio Hansson Atomimallit Tapio Hansson Atomin käsite Atomin käsite on peräisin antiikin Kreikasta. Filosofi Demokritos päätteli (n. 400 eaa.), että äärellisen maailman tulee koostua äärellisistä, jakamattomista hiukkasista

Lisätiedot

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle? Mahtuuko kaikkeus liitutaululle? Teoreettinen näkökulma hiukkasfysiikkaan Jaana Heikkilä, CERN, 304-1-007 7.2.2017 Ylioppilas, 2010, Madetojan musiikkilukio, Oulu LuK (Fysiikka, teor. fysiikka), 2013,

Lisätiedot

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta CMS-koe CERN 4. heinäkuuta 2012 Yhteenveto CERNin Large Hadron Collider (LHC) -törmäyttimen Compact Muon Solenoid (CMS) -kokeen tutkijat ovat tänään julkistaneet

Lisätiedot

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Fysiikka 8. Aine ja säteily Fysiikka 8 Aine ja säteily Sähkömagneettinen säteily James Clerk Maxwell esitti v. 1864 sähkövarauksen ja sähkövirran sekä sähkö- ja magneettikentän välisiä riippuvuuksia kuvaavan teorian. Maxwellin teorian

Lisätiedot

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N Atomin ydin ytimen rakenneosia, protoneja (p + ) ja neutroneja (n) kutsutaan nukleoneiksi Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N saman

Lisätiedot

QCD vahvojen vuorovaikutusten monimutkainen teoria

QCD vahvojen vuorovaikutusten monimutkainen teoria QCD vahvojen vuorovaikutusten monimutkainen teoria Aleksi Vuorinen Helsingin yliopisto Hiukkasfysiikan kesäkoulu Helsingin yliopisto, 18.5.2017 Päälähde: P. Hoyer, Introduction to QCD, http://www.helsinki.fi/~hoyer/talks/mugla_hoyer.pdf

Lisätiedot

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia. Vinkkejä tenttiin lukemiseen Virallisesti kurssin kirjoina on siis University Physics ja Eisberg&Resnick, mutta luentomoniste paljastaa, mitä olen pitänyt tärkeänä, joten jos et ymmärrä luentomuistiinpanojen

Lisätiedot

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN 17. helmikuuta 2011 ENERGIA JA HYVINVOINTI TANNER-LUENTO 2011 1 Mistä energiaa saadaan? Perusenergia sähkö heikko paino vahva

Lisätiedot

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011 Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011 Higgsin bosoni on ainoa hiukkasfysiikan standardimallin (SM) ennustama hiukkanen, jota ei ole vielä löydetty

Lisätiedot

Fysiikan nykytila ja saavutukset

Fysiikan nykytila ja saavutukset Fysiikan nykytila ja saavutukset Jako osa-alueisiin Nykyfysiikan jako pääaloihin voidaan tehdä sen perusteella mitä fysiikassa tällä hetkellä tutkitaan aktiivisesti (eli tutkimuskohteen mukaan). Näitä

Lisätiedot

(Hiukkas)fysiikan standardimalli

(Hiukkas)fysiikan standardimalli Alkeishiukkasista maailmankaikkeuteen: (Hiukkas)fysiikan standardimalli Helsingin Yliopisto Kaikki koostuu alkeishiukkasista: Aine koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneista Protonit ja neutronit

Lisätiedot

12. Hiukkasfysiikka Peruskäsitteitä. Antihiukkaset

12. Hiukkasfysiikka Peruskäsitteitä. Antihiukkaset LaFy IV, 2016 153 12. Hiukkasfysiikka Hiukkasfysiikan voidaan katsoa alkaneen siitä, kun Thomson löysi elektronin v. 1897. Rutherford löysi kulta-atomin ytimen v. 1913. Hän myös nimesi vetyatomin ytimen

Lisätiedot

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3) + 3 ATOMIN MALLI 3.1 Varhaiset atomimallit (1/3) Thomsonin rusinakakkumallissa positiivisesti varautuneen hyytelömäisen aineen sisällä on negatiivisia elektroneja kuin rusinat kakussa. Rutherford pommitti

Lisätiedot

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai Jakso : Materiaalihiukkasten aaltoluonne. Teoriaa näihin tehtäviin löytyy Beiserin kirjasta kappaleesta 3 ja hyvin myös peruskurssitasoisista kirjoista. Seuraavat videot demonstroivat vaihe- ja ryhmänopeutta:

Lisätiedot

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka 1 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 1 Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 2011 1 Ytimen rakenne Luentomonisteen sivulla 3 oleva nuklidien N Z-diagrammi

Lisätiedot

SUURITIHEYKSINEN PARTONIMATERIA

SUURITIHEYKSINEN PARTONIMATERIA SUURITIHEYKSINEN PARTONIMATERIA Sisältö Luonnolliset yksiköt Kvanttikromodynamiikka (Quantum Chromo Dynamics, QCD) Elektroni-protoni -sironta (Deep Inelastic Scattering, DIS) Väri-lasi-kondensaatti (Color

Lisätiedot

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin 1/31 Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin Niko Jokela Hiukkasfysiikan kesäkoulu Helsinki 18. toukokuuta 2017 2/31 Säieteorian perusidea Hieman historiaa 1 Säieteorian perusidea Hieman historiaa 2

Lisätiedot

Hiukkasfysiikan kokeet

Hiukkasfysiikan kokeet Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) kalvot: Santeri Laurila,, Mikko Voutilainen, Lauri A. Wendland 1 / 54 Fysiikan teoria ja kokeet Teoria Kokeet 1. Hiukkaskiihdyttimet 2. Ilmaisimet 3. Data-analyysi

Lisätiedot

Hiukkasfysiikan kokeet

Hiukkasfysiikan kokeet Hiukkasfysiikan kokeet Santeri Laurila Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) kalvot: Santeri Laurila, Kati Lassila-Perini, Mikko Voutilainen, Lauri A. Wendland Hiukkasfysiikan kokeet 1 / 54

Lisätiedot

Robert Brout. Higgsin bosoni. S. Lehti Fysiikan tutkimuslaitos Helsinki. Francois Englert. sami.lehti@cern.ch. Peter Higgs

Robert Brout. Higgsin bosoni. S. Lehti Fysiikan tutkimuslaitos Helsinki. Francois Englert. sami.lehti@cern.ch. Peter Higgs Robert Brout Higgsin bosoni Francois Englert S. Lehti Fysiikan tutkimuslaitos Helsinki sami.lehti@cern.ch Peter Higgs G.Landsberg in EPS-HEP 2013 2 Muutamia peruskäsitteitä 3 Leptonit: alkeishiukkasia,

Lisätiedot

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto Neutriinofysiikka Tvärminne 27.5.2010 Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto Neutriinon keksiminen Ongelma 1900-luvun alusta: beetahajoamisessa syntyvän neutriinon energiaspektri on jatkuva.

Lisätiedot

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot S-1146 Fysiikka V (ES) Tentti 165005 1 välikokeen alue 1 a) Rubiinilaserin emittoiman valon aallonpituus on 694, nm Olettaen että fotonin emissioon tällä aallonpituudella liittyy äärettömän potentiaalikuopan

Lisätiedot

Higgsin fysiikkaa. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

Higgsin fysiikkaa. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos Higgsin fysiikkaa Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos Sisällys: Higgsin teoriaa Tarkkuusmittauksia Standardimallin Higgs Supersymmetriset Higgsit Vahvasti vuorovaikuttava Higgsin sektori

Lisätiedot

FY8_muistiinpanot. Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. 10. marraskuuta 2013 10:00

FY8_muistiinpanot. Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. 10. marraskuuta 2013 10:00 FY8 Sivu 1 FY8_muistiinpanot 10. marraskuuta 2013 10:00 Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. FY8 Sivu 2 Sähkömagneettinen säteily s. 5 11.

Lisätiedot

Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä

Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä 4. kesäkuuta 2012 ATLAS koe esitteli uusimmat tuloksensa Higgs-hiukkasen etsinnästä. Tulokset esiteltiin CERNissä pidetyssä seminaarissa joka välitettiin

Lisätiedot

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Aineen olemuksesta Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Miten käsitys aineen perimmäisestä rakenteesta on kehittynyt aikojen kuluessa? Mitä ajattelemme siitä nyt? Atomistit Loogisen päättelyn

Lisätiedot

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja fysiikan tutkimuslaitos www.helsinki.fi/yliopisto 1 Modernin fysiikan sukupuu Klassinen mekaniikka

Lisätiedot

Uudet kokeet testaavat maailmankaikkeuden kohtalon: Muuttuuko kaikki aine lopulta säteilyksi?

Uudet kokeet testaavat maailmankaikkeuden kohtalon: Muuttuuko kaikki aine lopulta säteilyksi? Uudet kokeet testaavat maailmankaikkeuden kohtalon: Muuttuuko kaikki aine lopulta säteilyksi? Ainetta ja sen perusosasia, protoneja, pidetään ikuisesti pysyvinä. Eräät hiukkasfysiikan teoriat ennustavat

Lisätiedot

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä Antti Haarto.5.13 Sähkövaraus Aine koostuu Varauksettomista neutroneista Positiivisista protoneista Negatiivisista elektroneista Elektronien siirtyessä

Lisätiedot

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1 10.1 RÖNTGENSPEKTRI Kun kiihdytetyt elektronit törmäävät anodiin, syntyy jatkuvaa säteilyä sekä anodimateriaalille ominaista säteilyä (spektrin terävät piikit). Atomin uloimpien elektronien poistamiseen

Lisätiedot

Sekalaisia aiheita. Hiukkaskiihdyttimet ja uudet hiukkaset

Sekalaisia aiheita. Hiukkaskiihdyttimet ja uudet hiukkaset Sekalaisia aiheita Hiukkaskiihdyttimet ja uudet hiukkaset Hiukkaskiihdyttimiä alettiin kehittää 1930-luvulla. Niiden ideana on kiihdyttää hiukkasia suuriin nopeuksiin ja antaa hiukkasten törmätä joko toisiinsa

Lisätiedot

Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se?

Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se? Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se? Kari Rummukainen Fysiikan laitos & Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) Helsingin Yliopisto Kari Rummukainen Hiukkasfysiikka + kosmologia Varhainen maailmankaikkeus

Lisätiedot

Paula Eerola 17.1.2012

Paula Eerola 17.1.2012 Suomalainen tutkimus LHC:llä Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitostki it 17.1.2012 Mikä on LHC? LHC Large Hadron Collider Suuri Hiukkastörmäytin on CERN:ssä sijaitseva it kiihdytin, toiminnassa

Lisätiedot

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto ysiikka 1 Coulombin laki ja sähkökenttä Antti Haarto 7.1.1 Sähkövaraus Aine koostuu Varauksettomista neutroneista Positiivisista protoneista Negatiivisista elektroneista Elektronien siirtyessä voi syntyä

Lisätiedot

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2 766328A Termofysiikka Harjoitus no., ratkaisut (syyslukukausi 24). Klassisen ideaalikaasun partitiofunktio on luentojen mukaan Z N! [Z (T, V )] N, (9.) missä yksihiukkaspartitiofunktio Z (T, V ) r e βɛr.

Lisätiedot

MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet

MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet MasterClass 14 Hiukkasfysiikan kokeet Mikko Voutilainen Helsingin yliopisto osa kalvoista: Lauri A. Wendland Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 1 / 54 Koe ja teoria kohtaavat Teoria Kokeet Hiukkasfysiikan

Lisätiedot

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017 763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 207. Nelinopeus ympyräliikkeessä On siis annettu kappaleen paikkaa kuvaava nelivektori X x µ : Nelinopeus U u µ on määritelty kaavalla x µ (ct,

Lisätiedot

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017 763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Keät 207. Rekyyli Luentomonisteessa on käsitelty tilanne, jossa hiukkanen (massa M) hajoaa kahdeksi hiukkaseksi (massat m ja m 2 ). Tässä käytetään

Lisätiedot

FYS08: Aine ja Energia

FYS08: Aine ja Energia FYS08: Aine ja Energia kurssin muistiinpanot Rami Nuotio päivitetty 6.12.2009 Sisältö 1. Sähkömagneettinen säteily 3 1.1. Sähkömagneettinen säteily 3 1.2. Mustan kappaleen säteily 3 1.3. Kvantittuminen

Lisätiedot

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1 763306A JOHDATUS SUHTLLISUUSTORIAAN Ratkaisut 3 Kevät 07. Fuusioreaktio. Lähdetään suoraan annetuista yhtälöistä nergia on suoraan yhtälön ) mukaan + m ) p P ) m + p 3) M + P 4) + m 5) Ratkaistaan seuraavaksi

Lisätiedot

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY 2007-2009

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY 2007-2009 Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY 2007-2009 Eino Valtonen Avaruustutkimuslaboratorio, Fysiikan ja tähtitieteen laitos, Turun yliopisto Eino.Valtonen@utu.fi 2 Kosminen säde? 3 4 5 Historia

Lisätiedot

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2) Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2) Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Kevät 2016 Ajan ja pituuden suhteellisuus Relativistinen työ ja kokonaisenergia SMG-aaltojen

Lisätiedot

Kvan%fysiikan historiaa

Kvan%fysiikan historiaa Kvan%fysiikan historiaa (hiukkasfysiikkaan painottunut katsaus!) 1900: Planckin säteilylaki 1905: Einsteinin selitys valosähköilmiölle 1913: Bohrin atomimalli 1924: de Broglien aaltohiukkasdualismi 1925:

Lisätiedot

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4) 76A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 4 Kevät 214 1. Tehtävä: Yksinkertainen malli kovalenttiselle sidokselle: a) Äärimmäisen yksinkertaistettuna mallina elektronille atomissa voidaan pitää syvää potentiaalikuoppaa

Lisätiedot

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA Kevät 206 Emppu Salonen Lasse Laurson Arttu Lehtinen Toni Mäkelä Luento 2: BE- ja FD-jakaumat, kvanttikaasut Pe 5.4.206 AIHEET. Kvanttimekaanisesta vaihtosymmetriasta

Lisätiedot

Harvinainen standardimallin ennustama B- mesonin hajoaminen havaittu CMS- kokeessa

Harvinainen standardimallin ennustama B- mesonin hajoaminen havaittu CMS- kokeessa Harvinainen standardimallin ennustama B- mesonin hajoaminen havaittu CMS- kokeessa CMS- koe raportoi uusissa tuloksissaan Bs- mesonin (B- sub- s) hajoamisesta kahteen myoniin, jolle Standardimalli (SM)

Lisätiedot

Sisältö. Artikkelit. Viitteet. Artikkelilisenssit

Sisältö. Artikkelit. Viitteet. Artikkelilisenssit Sisältö Artikkelit Kvanttikenttäteoria 1 Vuorovaikutus 1 Sähkömagneettinen vuorovaikutus 2 Kenttä (fysiikka) 4 Kvanttisähködynamiikka 12 Sähkövaraus 13 Hiukkasfysiikan standardimalli 18 Mittabosoni 21

Lisätiedot

Tehtävän eri osat arvostellaan 1/3 pisteen tarkkuudella, ja loppusumma pyöristetään kokonaisiksi

Tehtävän eri osat arvostellaan 1/3 pisteen tarkkuudella, ja loppusumma pyöristetään kokonaisiksi FYSIIKAN KOE 11.3.2015 HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ Alla oleva vastausten piirteiden, sisältöjen ja pisteitysten luonnehdinta ei sido ylioppilastutkintolautakunnan arvostelua. Lopullisessa arvostelussa käytettävistä

Lisätiedot

Laboratoriot ja kokeet

Laboratoriot ja kokeet Laboratoriot ja kokeet Osa 2. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos 24.5.2010 Aiheet CERN LHC ja LHC-kokeet Fermilab Tulevaisuuden suunnitelmat P. Eerola, AFO 26.5.2010 2 The Tevatron

Lisätiedot

Sähköstatiikka ja magnetismi

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähköstatiikka ja magnetismi Johdatus magnetismiin Antti Haarto 19.11.2012 Magneettikenttä Sähkövaraus aiheuttaa ympärilleen sähkökentän Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen myös magneettikentän

Lisätiedot

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5 Tehtävä a) Energia ja rataliikemäärämomentti säilyy. Maa on r = AU päässä auringosta. Mars on auringosta keskimäärin R =, 5AU päässä. Merkitään luotaimen massaa m(vaikka kuten tullaan huomaamaan sitä ei

Lisätiedot

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Oppikirja (kertauksen vuoksi) Oppikirja (kertauksen vuoksi) Luento seuraa suoraan oppikirjaa: Malcolm H. Levitt: Spin Dynamics Basics of Nuclear Magnetic Resonance Wiley 2008 Oppikirja on välttämätön sillä verkkoluento sisältää vain

Lisätiedot

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1 763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1 1. Koordinaatiston muunnosmatriisi a) Osoita että muunnos x = x cos φ + y sin φ y = x sin φ + y cos φ (1) kuvaa x y tason koordinaatiston

Lisätiedot

LHC kokeet v J.Tuominiemi /

LHC kokeet v J.Tuominiemi / J.Tuominiemi / 28.12.2011 LHC kokeet v. 2011 CERNin LHC törmäytin oli talviseisokissa 6.12.2010 lähtien aina helmikuuhun 2011. Laitteistoa huollettiin ja tehtiin parannustöitä. Samoin LHC koeasemia huollettiin

Lisätiedot

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola Säteily ja suojautuminen 28.10.2016 Joel Nikkola Kotitehtävät Keskustele parin kanssa aurinkokunnan mittakaavasta. Jos maa olisi kolikon kokoinen, minkä kokoinen olisi aurinko? Jos kolikko olisi luokassa

Lisätiedot

CERN-matka

CERN-matka CERN-matka 2016-2017 UUTTA FYSIIKKAA Janne Tapiovaara Rauman Lyseon lukio http://imglulz.com/wp-content/uploads/2015/02/keep-calm-and-let-it-go.jpg FYSIIKKA ON KOKEELLINEN LUONNONTIEDE, JOKA PYRKII SELITTÄMÄÄN

Lisätiedot

Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum

Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum Luento 12: Varhainen maailmankaikkeus 24/11/2015 www.helsinki.fi/yliopisto 24/11/15 1 Tällä luennolla käsitellään 1. Varhaisen maailmankaikkeuden

Lisätiedot

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo Valosähköinen ilmiö Vuonna 1887 saksalainen fyysikko Heinrich Hertz havaitsi sähkövarauksen purkautuvan metallikappaleen pinnalta, kun siihen kohdistui valoa. Tarkemmissa tutkimuksissa todettiin, että

Lisätiedot