TÖÇ-6 Parçacık Fiziğine giriş Gökhan ÜNEL / UCI 1 - Haziran 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. kısacası: 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 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 12 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 13 Etkileşimleri Sağlayan Parçacıklar Bozonlar Kuvvet Çekim Zayıf Elektromanyetik Güçlü Taşıyıcı Parçacık Graviton W+ W- Zo Photon Gluon (8) 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 14 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 15 HADRONLAR Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar baryonlar(qqq) ve karşı baryonlar fermiyon simge isim içerik yük kütle dönü mezonlar(qq) ve karşı mezonlar bozon simge isim içerik yük kütle dönü p proton uud 1 0.938 1/2 π+ piyon ud 1 0.140 0 p karşı proton uud -1 0.938 1/2 Κ- kaon su -1 0.494 0 n nötron udd 0 0.940 1/2 ρ+ rho ud 1 0.770 1 Λ lambda uds 0 1.116 1/2 B0 B-zero db 0 5.279 0 Ω- omega sss -1 1.672 3/2 ηc eta-c cc 0 2.980 0 yaklaşık 120 çeşit bar yon var 3 kuarklı hadronlar yaklaşık 140 çeşit mezon var 1 kuark ve 1 karşı-kuarklı 16 hadronlar Ö n e m l i k e ş i f l e r s-kuark cc bb h 17 Bilinen Parçacıklar ve Etkileşimleri 18 zayıf etkileşim elektromanyetik etkileşim güçlü etkileşim parçacıklar ve etkileşimleri başka şekilde 19 ayrıntılar Elektromanyetizma Zayıfetkileşim Güçlüetkileşim Kütleçekimetkileşimi 20 Elektromanyetik Kuv vet Gauss Ampere Faraday James Clerk Maxwell elektrik alan manyetik alan akım yoğunluğu yük yoğunluğu elektriksel geçirgenlik manyetik geçirimlik 21 21 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 22 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 23 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 24 Etkileşme örnekleri güçlü etkileşim elektromanyetik etkileşim zayıf etkileşim 25 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 26 Kuantum Çeşni Dinamiği örnekler + - 27 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. 28 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. 29 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 30 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 31 Kuantum Renk Dinamiği örnekler 32 Kütle çekimi Klasik Mekanik Isaac Newton Özel Görelilik Genel Görelilik Albert Einstein Uzayın Eğrilik metriği Enerji Tensörü 33 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 34 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 35 36 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. 37 SMgeçmişinden:Çekirdeğinkeşfi beklenendenfarklıolan Sene1904...elektronkaşifiThompsonatomuniçindearS veeksiyüklerineşitdağılımlayüzdüğünüöneriyordu. Rutherford,GeigerveMarsdenbuöneriyisınamakiçin 1911’dealSnfolyolaraHe+çekirdekleriateşlediler.İikkez mikroskoplagörülmeyenparçacıklarıniçiaraşSrılıyordu. beklenen gözlenen açıklama Sonuç:Deneyinzaferi-merkezdekiyoğunçekirdekveetra`adönen elektronlarileaçıklananRutherford-Bohratomu. 38 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! 39 SMgeçmişinden:Topkuarkkeşfi beklenipdegelen 1973teKobayashiveMaskawa3.aileyiönermiş,1977debquark keşfedilmişP.bkuarkileeşolacaktopkuarkınvarolmasıgerekPği düşünülüyordu. 1980lar...Topkuarkın özelliklerihesaplanabiliyor, amakütlesibilinmiyordu. SLAC,DESYveCERNdeki hızlandırıcılarıntopkuark yapmayaenerjileriyetmedi. Topdahaağırolmalıydı. Topkuarksonunda1995te FermilabTevatron’daD0ve CDFdeneylerince176GeV kütledegözlemlendi. 40 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 41 • 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. 42 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? 43