Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

Samankaltaiset tiedostot
Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

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

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

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Arttu Haapiainen ja Timo Kamppinen. Standardimalli & Supersymmetria

Atomimallit. Tapio Hansson

Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

Atomimallit. Tapio Hansson

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

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Neutriino-oskillaatiot

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

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria

Neutriinokuljetus koherentissa kvasihiukkasapproksimaatiossa

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

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

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku. Oili Kemppainen

(Hiukkas)fysiikan standardimalli

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

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

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

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

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se?

Perusvuorovaikutukset

Hiukkasfysiikan kokeet

Fysiikan nykytila ja saavutukset

CERN-matka

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa

Vuorovaikutuksien mittamallit

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

Maailmankaikkeuden synty ja aineen perusrakenne

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

QCD vahvojen vuorovaikutusten monimutkainen teoria

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

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

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

Fysiikan maailmankuva 2015

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia

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

Hiukkasfysiikan kokeet

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

FYS08: Aine ja Energia

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

12. Hiukkasfysiikka Peruskäsitteitä. Antihiukkaset

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

tutkijankloppi pani fysiikan uusiksi...

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

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

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa teoreetikon näkökulmasta

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

SUURITIHEYKSINEN PARTONIMATERIA

Neutriinojen sekoitusmatriisin Majorana-vaiheet

Sisältö. Artikkelit. Viitteet. Artikkelilisenssit

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Kvan%fysiikan historiaa

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

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

MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa

Osassa 1 käsiteltiin siirtymää klassisesta fysiikasta moderniin fysiikkaan, fysiikan suhdetta muihin tieteenaloihin ja roolia tieteellisessä

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

Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

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

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

Flrysikko Higgs iuhli. löytymistä 4. z.totz

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

Fysiikka 1. Fysiikka 1, Fysiikka luonnontieteenä, Tammi (2009) MAOL-taulukot, Otava

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Transkriptio:

Hiukkasfysiikkaa Tapio Hansson

Aineen Rakenne Thomson onnistui irrottamaan elektronin atomista. Rutherfordin kokeessa löytyi atomin ydin. Niels Bohrin pohdintojen tuloksena elektronit laitettiin kiertämään ympyräradoille atomin ydintä ja Arnold Sommerfeld teki vielä radoista elliptisiä, jonka jälkeen aurinkokuntamalli olikin hienosti kasassa. Kvanttimekaniikan myötä atomin rakenne selvitettiin matemaattisesti.

Mitä löytyy atomin sisältä Elektronit ovat jo oikeita alkeishiukkasia (Hurraa!) Ydin on valitettavan helppo pilkkoa vielä osiin. Tätä hyödynsi jo Rutherford kokeessaan, tietämättään tosin että oli jo pilkkomassa vasta löytämäänsä ydintä. Paitsi, että ytimiä voi pilkkoa, niistä löytyy kahdenlaisia rakennuspalikoita: protoneja ja neutroneja. Hiukkaskiihdyttimien avulla voitiin protoneja ja neutroneja tutkia kuten Rutherfordin kokeessa tutkittiin atomeja. 60-luvun alussa saatiin ensimmäiset kokeelliset viitteet kvarkeista. Nobel-palkinto jaettiin aiheesta vuonna 1990.

Ja sitten löytyi vielä muutakin

Se oli siinä, jos standardimalliin on uskomista Mikään ei periaatteessa takaa, etteikö Standardimallin takaa löytyisi vielä fundamentaalimpikin teoria. Higgsin hiukkasen löytyminen vuonna 2012 tosin vahvisti teorian asemia huomattavasti. Gravitaation sisällyttäminen on kuitenkin vielä tekemättä, ja ilman sitä standardimallia ei voida pitää kovin täydellisenä. Higgsin hiukkasia etsitään tänäpäivänä lisää kuumeisesti. Jos niitä löytyy useampia erilaisia, on standardimallissa jälleen korjattavaa. Standardimalli ei myöskään oikein selitä hiukkas-antihiukkasepäsymmetriaa, eikä ennusta hiukkasten massoja.

Eikö tämäkään vielä riitä? Standardimallia yritetään pitää pohjana ns. suurelle yhtenäisteorialle (GUT, grand unified theory). Muitakin vaihtoehtoja on, esim. 80-luvulla innostusta herättänyt säieteoria, supersymmetriateoria ja silmukkakvanttipainovoima. Säieteorialla on useita variantteja, esim. M-teoria. Nämä teoriat ovat niin sanottuja kaiken teorioita, jotka periaatteessa selittävät koko fyysisen maailmankaikkeuden. Niiden kokeellinen testaaminen on toistaiseksi poikkeuksellisen mahdotonta. Aiheeseen liittyvä xkcd: https://xkcd.com/485/

Antimateria Antimateria kuuluu standardimalliin. Jokaisella standardimallin alkeishiukkasella on oma antihiukkasparinsa. Niiden massat ovat samat, mutta sähkövaraukset (sekä mm. spinit) vastakkaismerkkiset. Antihiukkasista muodostuu vastaavankaltaista antiainetta, kuin tavallisestakin aineesta. (Kolme antikvarkkia muodostaa antiprotonin ja antiprotoni ja positroni antivetyatomin.) Antiprotoni

Antimateria Kuva: Antimateriasta voi teoriassa muodostua "peilimaailma".

Annihilaatio Mikäli antimateriahiukkanen kohtaa tavallista materiaa olevan vastinparinsa tapahtuu annihilaatio, jossa kaikki materia muuttuu "puhtaaksi energiaksi", eli fotoneiksi. Syntyvän energian määrä saadaan Einsteinin massan ja energian ekvivalenssin kaavasta E = mc 2, jossa E on energia, m materian ja antimaterian yhteenlaskettu massa ja c valonnopeuden neliö. Jos siis törmäät joskus anti-itseesi, älä mene kättelemään. Kuva: Feynmandiagrammi elektronin ja positronin annihilaatiosta.

Parinmuodostus Parinmuodostus on tavallaan annihilaation vastakohta. Korkeaenerginen fotoni voi raskaan ytimen läheisyyden tai jonkin muun vuorovaikutuksen aiheuttamana muuttua elektroni-positronipariksi. Fotonin energian tulee olla vähintään 1.022 MeV (1.637 10 13 J), eli kahden elektronin lepomassan verran.

Kvarkeista tarkemmin Kvarkkeja on kolme paria: ylös (u) ja alas (d), outo (s) ja lumo (c) sekä huippu (t) ja pohja (b). Jokaisella kvarkilla toki edelleen antikvarkkinsa, näitä vain ei tavata kotioloissa. Kvarkkien sähkövaraus on erikoinen, varaukset ovat nimittäin murtolukuja. Ylös, huippu ja lumo omaavat sähkövarauksen 2 3 ja alas, pohja ja outo sähkövarauksen 1 3. Kvarkit eivät voi esiintyä yksinään, ne muodostavat joko kolmikoita tai pareja. Kvarkkikombinaatioista mahdollisia ovat vain ne, joista muodostuu kokonaislukuinen sähkövaraus. Tavallisessa aineessa tavataan vain u- ja d-kvarkkeja.

Leptoneista Leptonit ovat alkeishiukkasia, jotka esiintyvät yksinään. Tavallisessa aineessa tavataan vain elektroneja. Elektronien lisäksi on τ-leptoni ja myoni. Lisäksi jokaista näistä vastaa lähes massaton neutiino, jotka ovat myös lepotneja. τ-leptonit ja myonit eivät ole vakaita (vaikka ovat alkeishiukkasia), vaan normaaliolosuhteissa ne hajoavat hyvin nopeasti vastaavaksi antineutriinoksi, sekä mahdollisesti kvarkki-antikvarkkipariksi tai kevyemmiksi leptoneiksi. Leptonit jaetaan kolmeen perheeseen. Esim. Elektronin perheeseen kuuluu elektroni ja elektronin neutriino.

Neutriinoista Neutriinojen massat ovat mitättömän pieniä, mutta niiden valtavan lukumäärän vuoksi ne ovat kuitenkin huomioitavan kokoluokan osa massallista maailmankaikkeutta. Neutriinot vuorovaikuttavat erittäin heikosti muun aineen kanssa, ja suurin osa niistä paahtaakin maapallon läpi täysin huomaamatta. Esimerkiksi japanilaisessa Super Kamiokande-ilmaisimella neutroneja on pyritty ja onnistuttukin tunnistamaan. Auringosta tulee, siellä tapahtuvien reaktioiden johdosta, suuri määrä neutriinoita. Havainnot eivät aluksi osuneet kohdalleen, mutta kun ymmärrettiin, että neutriinot vaihtavat perhettä omia aikojaan, alkoi teoria käydä järkeen. (Neutriino-oskillaatio)

Mitä näistä saadaankaan aikaan Kaikkia kvarkeista koostuvia hiukkasia sanotaan yleisesti hadroneiksi. Hadronit jaetaan kahteen osaan: baryoneihin ja mesoneihin. Baryonit koostuvat kolmesta kvarkista, kuten protoni tai neutroni. Mesonit sen sijaan koostuvat kvarkista ja antikvarkista, kuten pioni, joka koostuu ylös-kvarkista ja antialas-kvarkista. Hadronien massasta suurin osa on itseasiassa niissä olevien kvarkkien liike- ja potentiaalienergiaa ja vain pieni osa kvarkkien omaa massaa. Lista baryoneista: https://en.wikipedia.org/wiki/list_of_baryons Lista mesoneista: https://en.wikipedia.org/wiki/list_of_mesons

Hiukkasreaktiot Usein puhutaan siitä, miten hiukkaset hajoavat toisiksi, tai törmäyksissä syntyy uusia hiukkasia. Näitä tapahtumia kutsutaan hiukkasreaktioiksi, joita kuvataan samantyylisillä reaktioyhtälöillä kuin kemiallisia reaktioita. Aivan mikä tahansa ei ole mahdollista, vaan hiukkasreaktioissa on voimassa useita säilymislakeja, joiden puitteissa reaktiot tapahtuvat. Tavalliset ovat energian, liikemäärän, kulmaliikemäärän ja sähkövarauksen säilyminen. Leptoniluku ja baryoniluku säilyvät myös aina, samoin outous. Lisäksi on olemassa erilaisia säilymislakeja, jotka ovat voimassa vain tiettyjen vuorovaikutusten aiheuttaessa reaktion.

Hiukkasreaktiot Leptonilukuja on itseasiassa kolme, eli yksi jokaiselle perheelle. Elektronin ja elektronin neutriinon L e = 1, mutta L τ = L µ = 0. Vastaavasti τ:n ja sen neutriinon L τ = 1, mutta L e = L µ = 0. Antileptonien leptoniluku on -1 ja muiden kuin leptonien 0. Baryonien baryoniluku B = 1, antibaryonien B = 1 ja muiden hiukkasten B = 0. Reaktioyhtälöissä tulee aina tarkastaa, että molemmilla puolilla yhtälöä on sama määrä säilyviä asioita. Esim: µ e + ν e + ν µ