Alkeishiukkaset perushiukkaset kvarkit (antikvarkit) leptonit (antileptonit) hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat baryonit mesonit mittabosonit eli vuorovaikutuksien välittäjähiukkaset Higgsin hiukkanen 1
Alkeishiukkasten löytöhistoriaa ν τ Higgs? 3
Hiukkasten kokeellinen tutkiminen Hiukkasfysiikan tärkein tutkimusmenetelmä perustuu hiukkasten kiihdyttämiseen. Miksi tarvitaan suuria energioita? 1. Mahdollisimman pienten yksityiskohtien erottaminen Hiukkasen aineaallon aallonpituus (de Broglie)* λ = h p hc E. Mitä lyhyempi aallonpituus sitä parempi erotuskyky. Esimerkiksi kvarkit erottuvat protonin sisältä, kun protonia pommitetaan hiukkasilla, joiden energia on luokkaa 10 GeV. *) 4 pc = E m c E, E >> mc. 4
. Raskaiden uusien hiukkasten tuottaminen Einstein kaava massan ja energian vastaavuudelle E = mc Mitä raskaampi hiukkanen eli mitä suurempi sisäinen energia hiukkasella on, sitä enemmän energiaa tarvitaan hiukkasen tuottamiseen vuorovaikutuksessa. CERNin LHC-kiihdytin. 5
Esimerkki: LHC CERNin LHC:ssä (Large Hadron Collider) saadaan protoneille liike-energia 7 TeV. Mikä on tällaisen fotonin de Broglie aallonpituus? Entä nopeus? Liike-energia K on kokonaisenergia E miinus lepoenergia: K = E mc = γ mc mc = mc (γ 1), γ = 1 1 v / c. Kokonaisenergia on silloin E 1 6 = K + mc = 7 10 ev + 938. 7 10 ev K. 6
7 De Broglie aallonpituus on fm. 10 1.8 m 10 8 1 ev 10 7 m/s 10 00 3 s ev 10 136 4-4 19 1 8 15 = = = =. ). )(. ( E hc λ Nopeus saadaan kaavasta ( ) 1 K mc c v = / eli.. / 0 000000009 1 ev 10 7 ev 10 938 1 1 ev 10 7 ev 10 938 1 1 1 6 1 6 = = K mc c v
Kiihdyttimet Lineaarikiihdytin Hiukkanen kiihdytetään sähkökentän avulla muuttamatta sen liikkeen suuntaa. Ensimmäinen varsinainen hiukkaskiihdytin oli Cockcroftin ja Waltonin lineaarikiihdytin vuodelta 193. Kiihdyttimellä saatiin protonille energia 700 kev. Stanfordin lineaarikiihdytin Stanfordin lineaarikiihdytinkeskuksessa (SLAC) saadaan elektronille ja positronille 50 GeV:n energia noin 3 km pitkässä kiihdyttimessä. 8
Syklotroni Syklotronissa varatut hiukkaset kiihdytetään sähkökentällä ja kulkevat magneettikentän ohjaamana säteeltään kasvavaa kiertorataa pitkin. Magneettikenttä B on kohtisuorassa hiukkasen rataa vastaan, joten se aiheuttaa hiukkaseen voiman F = qv B = q vb 9
Tämä on keskeisvoima, joka saa hiukkasen liikkumaan ympyrärataa pitkin. Newtonin lain F = ma mukaan mv q vb = eli v = r q Br m. Välikössä oleva sähkökenttä antaa hiukkaselle lisää vauhtia kahdesti joka kierroksella, mutta samalla radan säde kasvaa ja liikkeen taajuus pysyy samana: f 1 = T 1 π r q Br / m q B =. π m = syklotronitaajuus Kun kiihdytysosaan kytketyllä vaihtovirralla on tämä taajuus, kiihdytysjännite on aina kiihdyttävään suuntaan hiukkasen tullessa aukkoon. 10
Syklotronin toimintaperiaatteen keksi Ernest O. Lawrence 199. Kuvassa on hänen prototyyppinsä. Kehän halkaisija on runsaat 10 cm. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen syklotroni on ydinfysiikan tutkimukseen tarkoitettu laite. Radan maksimihalkaisija on vajaa m, taajuus 10 1 MHz ja energia 130 MeV. 11
Synkrotroni Hiukkaset kiertävät ympyrärataa kiihdytinrenkaassa. Nopeuden kasvaminen ja siihen liittyvä pyrkimys radan säteen kasvamiseen kompensoidaan suurentamalla magneettikenttää samaan tahtiin (synkronisesti) niin, että radan säde pysyy vakiona. Suurimmat kiihdyttimet ovat synkrotroneja: Tevatron (Fermi National Laboratory Fermilab, USA). Säde 1.0 km, maksimienergia 1 TeV. Suljettiin 011. LHC (Large Hadron Collider, CERN). Säde 4.3 km ja maksimienergia 7 TeV. 1
Tevatron, Fermilab LHC, CERN; Geneve 13
Nykyiset suuret hiukkaskiihdyttimet ovat törmäyttimiä. Niissä kiihdytetyt hiukkaset pannaan törmäämään toisiinsa. Esim LHC:ssä protoneita kiertää renkaassa molempiin suuntiin. Tämä onnistuu vaihtelemalla magneettikentän suuntaa sopivassa tahdissa; hiukkaset liikkuvat renkaassa erillisinä ryppäinä. Esim. uusien hiukkasten synnyttämiseen on silloin käytettävissä energiaa 7 TeV + 7 TeV. 14
Ilmaisimet Hiukkasfysiikan kiihdytinkokeissa hiukkaset pannaan vuorovaikuttamaan keskenään ja tutkitaan, mitä vuorovaikutuksessa tapahtuu. Tieto kerätään erilaisten ilmaisimien avulla. Ne mittaavat syntyneiden hiukkasten ratoja, energiaa, varausta jne. Ilmaisintyyppejä ovat mm. kalorimetrit (energian mittaus), puolijohdeilmaisimet, time-projection-chamber (TPC)- ilmaisimet, tuikeilmaisimet, Tsherenkovin ilmaisimet ja monilankaverrannollisuuskammiot. http://www.youtube.com/watch?v=iyrqpcjvqx8 http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&nr=1&v=dukzydbmq3e 15
16
Kvarkkimalli Vuonna 1964 Gell-Mann ja riippumattomasti Zweig esittivät, että hadronit eli mesonit (spin kok.luku) ja baryonit (spin puoliluku) ja rakentuvat kvarkeista. Aluksi tultiin toimeen kolmella kvarkilla u, d, s. (ylös, alas, outo). Malli perustui SU(3)-symmetriaan, joka on isospiniin liittyvän SU()-symmetrian laajennus. 17
Marraskuussa 1974 Ting Brookhavenissa ja Richter SLAC:ssa ilmoittivat löytäneensä uuden, hitaasti hajoavan hiukkasen, psiin ψ. Tulos tulkittiin neljännen kvarkin, lumokvarkin c avulla (lepoenergia 1.3 GeV). 18
Vuonna 1977 Ledermanin ryhmä löysi Fermilabissa vastaavalla tavalla viidennen kvarkin, bottom-kvarkin b (lepoenergia n. 4. GeV). Viimeisin kvarkki, top-kvarkki t löydettiin 1995 Fermilabissa. Se on raskain tunnettu hiukkanen, lepoenergia175 GeV. 19
Kvarkit ryhmittyvät hadroneiksi Hadronit ovat kvarkkien ja antikvarkkien sidottuja tiloja: - baryonit - antibaryonit qqq qqq - mesonit ja antimesonit qq 0
SU(3)-malli Kvanttilukuja: baryoniluku B, outous S, hypervaraus Y=B+S. B(q) = + 1 3, B(q) = 1 3 S(u) = S(d) = 0, S(s) = 1. Mesoni-oktetti (kahdeksikko). 1
Baryoninen oktetti ja dekupletti Octet [8] Decuplet [10]
Resonanssihiukkanen Δ ++ on ns. resonanssihiukkanen: sitä itseään ei havaita, ainoastaan hajoamistuotteet protoni ja pioni. Pioni-protoni-reaktion todennäköisyys (ns. vaikutusala) on suurimmillaan silloin, kun pionin ja protonin yhteenlaskettu energia on sama kuin deltan massaenergia 136 MeV. Mitä leveämpi resonanssipiikki on, sitä nopeammin hiukkanen hajoaa. Tämä seuraa Heisenbergi epätarkkuusperiaatteesta ΔEΔt 3
Värisymmetria Kvarkkien spin on ½, joten niitä koskee Paulin kieltosääntö. Baryonissa kolme kvarkkia ei voi olla samanlaisia. Ratkaisu: uusi kvanttiluku väri. Baryonin kolme kvarkkia ovat kaikki eri värisiä, kvarkilla ja antikvarkkien värit ovat toistensa vastavärejä. Hadronit ovat värittömiä. 4
Kvarkkien sekoittuminen Kvarkkeja on kvanttilukujensa puolesta kolme samanlaista paria: (u,d), (c,s) ja (t,b). Luonnossa nämä parit ovat sekoittuneet toisiinsa. Esimerkiksi u-kvarkki vuorovaikuttaa d-kvarkin lisäksi jonkin verran myös s- ja b-kvarkin kanssa. d s b = V ud V us V ub V cd V cs V cb V td V ts V tb d m s m b m Cabibbon-Kobayashin-Maskawan matriisi 5
Leptonit Kvarkeilla ja hadroneilla on kaikkia vuorovaikutustapoja: sähkömagneettisia, vahvoja ja heikkoja vuorovaikutuksia. Leptonit ovat hiukkasia, joilla ei ole vahvoja vuorovaikutuksia. Leptoneitakin on kuutta eri lajia: kolme varattua (elektroni, myoni ja tau) ja kolme neutraalia neutriinoa. Nekin muodostavat kolme paria, (e,ν e ), (µ,ν µ ) ja (τ, ν τ ). Kuten kvarkit, neutriinotkin ovat sekoittuneet toisiinsa. 6
Taulukossa olevat neutriinojen massarajat eivät itse asiassa liity neutriinolajeihin. Myonin ja taun neutriinon massat taulukossa, ovat neutriinojen enintään viemä massaenergia myonin ja taun hajoamisissa. Neutriinojen massojen summalle on yläraja (kosmologiasta) i m ν i 0. ev. 7
Neutriinot Neutriinot ovat sähköisesti neutraaleja hiukkasia, joten niillä on ainoastaan heikkoja vuorovaikutuksia. Ne vuorovaikuttavat aineen kanssa hyvin vähän, joten niiden havaitseminen vaatii suuria ilmaisimia. Super Kamiokande neutriinoilmaisin. Neutriinot irrottavat atomeista elektroneja, jotka lähettävät vedessä kulkiessaan ns. Tsherenkovin säteilyä. Seinustoilla olevat valomonistinputket rekisteröivät tämän säteilyn. 8
Super Kamiokande näki ensimmäisen todisteen neutriinooskillaatiosta: neutriinolajit muuttuvat toisikseen lentäessään avaruudessa. Ilmiö seuraa neutriinojen sekoittumisesta ja osoittaa, että neutriinoilla on massa. 9