31. Részecskefizika

1. Elemi részecskék

1. Hány dimenziós térben élünk?

Einstein szerint: a 4 dimenzió téridőt az anyag deformálja.
A húrelmélet szerint: 11 dimenzió létezik (feltekeredett állapotban).
Probléma az elmélettel: A 10^-35 méter átmérőjű húrokat jelenlegi technikánkkal képtelenek vagyunk megfigyelni.
A káoszelmélet szerint a világunk dimenziószáma nem egész szám, hanem tört. Az olyan alakzatokat amelyek törtdimenziósak fraktáloknak nevezzük. Ezek önhasonlóak, tehát bármelyik kis részlete ugyan olyan, mint az eredeti alakzat. (Pl. Mandelbrot halmaz)

2. Az elemi részecskék csoportosítása:

A. Spin szerint:
Feles spinű részecskék = fermionok
Pauli-féle kizárási-elv érvényes rájuk: azonos állapotban nem lehet két részecske
Az anyagi részecskék ők.
Egész spinű részecskék = bozonok
Nem érvényes rájuk a Pauli-elv: azonos állapotban lehet két részecske
Az anyagi részecskék közötti kölcsönhatások közvetítői.

Statisztikák:
    Boltzmann (részecskék):

• A részecskéket megkülönböztetjük.
• Egy térrészbe (cellába) csak egy részecske kerülhet.

    Bose-Einstein (bozonok):

• A részecskéket nem különböztetjük meg.
• Egy térrészbe (cellába) több részecske is kerülhet.

    Fermi-Dirac (fermionok):

• A részecskéket nem különböztetjük meg.
• Egy térrészbe (cellába) csak egy részecske kerülhet.

Ssz	Boltzmann			Bose-Einstein			Fermi-Dirac
1.	ab			**			*	*
2.		ab			**		*		*
3.			ab			**		*	*
4.	a	b		*	*
5.	b	a		*		*
6.	a		b		*	*
7.	b		a
8.		a	b
9.		b	a

B. A kölcsönhatás jellege szerint:

• Erős kölcsönhatás (hadron)
• Fermion (Barion): 3db kvarkból álló (p;n = nukleonok; hiperonok)
• Bozon: Mezon (kvark+antikvark); gluon (g)
• Egyéb kölcsönhatás:
• Fermion (Lepton): Neutrinó, e, műon, tau
• Bozon: Foton, W-, Z-részecske, Higgs-bozon
  

C. Töltés szerint:

• Anyagi részecskék
• Antianyag részecskék (ellentétes töltéssel)

Részecske-antirészecske párkeltés és annihiláció
Az annihiláció nagy energia felszabadulással jár:
                E=mc²

A vákuumban is állandóan virtuális részecske-antirészecske párok keletkeznek.

3. Kvarkok:

Gell Mann 1963-ban feltételezte, hogy a protonok, neutronok, hadronok, mezonok nem elemi részecskék.
Az elemi részecskék további összetevőkre bomlanak. Ők a kvarkok (törésből származó részecskék):

• u (up)
• d (down)
• c (charmed)
• s (strange)
• t (top)
• b (bottom)

A kvarkok színtöltéssel is rendelkeznek (piros, zöld, kék).

3 kvark alkotja az elemi részecskéket.
a kvarkok töltése törtérték.
a kvarkbezáródás miatt nem lehet őket szétszedni (gluonok tartják össze őket).

2. Kölcsönhatások

1. Milyen kölcsönhatásokat ismerünk?

Mechanikai kölcsönhatás:
  Egymásra erőhatást kifejtő testek között hat.

Gravitációs kölcsönhatás:
  Tömeggel rendelkező testek között hat.

Termikus kölcsönhatás:
  Különböző hőmérsékletű, érintkező testek között hat.

Elektromos kölcsönhatás:
  Töltéssel rendelkező testek között hat.

Mágneses kölcsönhatás:
  Mágneses tulajdonsággal rendelkező testek között hat.

  Az elektromágneses hullámok esetén az elektromos és a mágneses kölcsönhatás egyidejűleg hat.

Nukleáris kölcsönhatás (Erős kölcsönhatás):
  Nukleonok között hat.

Nukleáris gyenge kölcsönhatás:
    A radioaktív béta bomlást okozó, kis erősségű, rövid hatótávolságú kölcsönhatást
    gyenge kölcsönhatásnak nevezzük.
A gyenge kölcsönhatást neutrinónak nevezett részecske megjelenése kíséri.

Neutrínó detektorok:

2. Alapvető kölcsönhatások

Az anyag szerkezetet meghatározó kölcsönhatásokat alapvető kölcsönhatásoknak hívjuk. Ezek:

• Gravitációs kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Végtelen (gravitációs mező/erőtér).
• Erőssége: 1
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: graviton(?)
  
• Elektromágneses kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Végtelen (elektromos, illetve mágneses mező/erőtér).
• Erőssége: 1/137
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: foton
  
• Erős kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Szubatomi (10^-15m).
• Erőssége: 1/100 000
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: gluon
  
• Gyenge kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Szubatomi (10^-18m).
• Erőssége: 1/10³⁹
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: W- és Z-bozonok.
  

 A valós részecskék működése:

A virtuális részecskék működése:

3. Részecskegyorsítók

1. Részecskegyorsítók:

A részecskegyorsítók töltött részecskéket gyorsítanak fel elektromos feszültséggel nagy energiára (pl. elektront több száz GeV-re).

Az elektronvolt (eV):
Az atomfizikában előszeretettel használt energiaegység.
Azonos az egy volt potenciálkülönbségen áthaladó elektron munkájával.
    1eV =1,6*10^-19J

A felgyorsított  részecskéket  ütköztetik.
Az ütközés során rövid ideig olyan részecskék is keletkeznek, melyek a közönséges anyagban nem léteznek.
Minél nagyobb az energia, annál több részecske keletkezik.
A rengetek szétsugárzó részecske azonosítása nem könnyű feladat.

2. Fejlődéstörténetük:

A. lineáris gyorsító:

B. van de Graaf generátor:

C. ciklotron:

elektromos mező = gyorsít
mágneses mező = térít

4. CERN

A CERN – Európa legnagyobb kutatóintézete

• 1954-ben alapították
• 20 tagországa van a CERN-nek
• 3000 főállású alkalmazott
• 6500 tudományos kutató végez kísérleteket, 80 országból
• Sok új részecskét fedeztek fel
• a web innen származik

 Négy hatalmas detektor:

• (ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B)
• (egyenként kb. 3000 tonna)
• 27 km kerület
• 100 m mélységben
• 10.000 A – áramerősség a mágnesekben
• 1,9 K – a rendszer hőmérséklete
• 10^-13 atm – a nyalábcsőben a nyomás
• 14 év alatt építették

Biztonsági kérdések:
  Az alapvető kérdés az, hogy a mesterségesen létrehozott új részecskéknek, illetve az anyag mesterségesen létrehozott új állapotának lesz-e bármilyen fenyegető hatása a környezetre.
Felmerült például fekete lyukak, mindent elnyelő vákuumbuborékok, az anyag lebomlását okozó mágneses monopólusok megjelenésének, sőt az időutazásnak a lehetősége is.

  A CERN kutatóin kívül amerikai és orosz szakemberek által is jegyzett új jelentés is megállapítja, hogy a kísérletek biztonságosak, aggodalomra nincs ok.
  Becslések szerint az Univerzumban minden egyes másodpercben tízmilliószor millió "LHC-kísérlet" következik be, láthatóan minden következmény nélkül. Az LHC abban fog különbözni ezektől, hogy irányított körülmények között, jól vizsgálhatóan hozza létre ezeket az állapotokat.