Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic

618 views

Published on

Přednáška na gymnáziu v Třebíči r. 2008

Published in: Technology
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic

  1. 1. “ Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání” 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 Kdy to začalo? 2.2 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta <ul><li>3. Urychlovače a experimenty na nich </li></ul><ul><li>3.1 Když to začalo </li></ul><ul><li>3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují </li></ul><ul><li>3.3 Co nám řeknou? </li></ul><ul><li>3.4 Jak chytat a měřit částice </li></ul><ul><li>4. Letošní Nobelova cena za fyziku </li></ul><ul><li>4.1 Standardní model </li></ul><ul><li>4.2 Symetrie – jak poznat </li></ul><ul><li>antihmotného mimozemšťana </li></ul><ul><li>5. Závěr </li></ul>Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/ ~wagner/ Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty
  2. 2. Úvod Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! Atomová hypotéza - konec 17. století , experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí Atomová teorie - 18. a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení 20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení 21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii) Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes experiment ALEPH v CERNu
  3. 3. Fyzika mikrosvěta – jaké má metody? Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Věda hledá popis reálného světa Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná „ Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything? “ Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu -> spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Karl Popper v Praze v r. 1994 Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci
  4. 4. Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenberg ů v princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10 -35 m)? Hustota vody 10 3 kg/m 3 Hustota jádra ~10 18 kg/m 3 R ATOM /R J ÁDRO ~ 10 5 -> V ATOM /V J ÁDRO ~ 10 15
  5. 5. Počátek – objev radioaktivity Objev radioaktivity Henri Becquerelem počátkem roku 1896 . Horké téma té doby byl objev rentgenového záření Wilhemem Röntgenem v listopadu 1895 na univerzitě ve Würzburgu. H. Becquerel zkoumal luminiscenci solí uranu. Nové pronikavé záření podobné rentgenovému. – Nezávisí na osvícení. Vlastnost všech látek s uranem i bez luminiscence. -> -> Radioaktivita je nová vlastnost uranu. Podrobné zkoumání radioaktivity M. Curie a P. Curie : radioaktivita je vlastnost tzv. radioaktivních prvků . Kvantitativní měření. Objev radioaktivity thoria , dva nové radioaktivní prvky – rádium a polónium . Existují různé typy radioaktivního záření (různé chování v elektrickém a magnetickém poli, různá míra absorpce v materiálech). W. Röntgen Irene a Frederic Joliot-Curie L. Meitnerová a O. Hahn se podílely na objevu štěpení
  6. 6. Radioaktivita -> v ysoká produkce energie – tepla -> posun stáří Země. (bez radioaktivity by Země vychladla z několik desítek milionů let) Biologické účinky radioaktivity Walkhof , Giesel , Becquerel a P. Curie – radioterapie. F. Joliot-Curie , L. Kowarski ( 1939 ) objevují uvolnění dvou neutronů po absorpci neutronu 235 U a jeho štěpení – cesta k řetězové reakci a jejímu využití – jaderný reaktor a bomba. Sopka Rinjani v Indonesii Irene a Marie Curie ve vojenské nemocnici a moderní kobaltová ozařovna v nemocnici v Ostravě
  7. 7. Počátek studia stavby atomu Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10 -10 m) uvnitř níž jsou elektrony. Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda ( 1910 ). Pozorují: <ul><li>Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu </li></ul><ul><li>U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé). </li></ul>Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10 -14 m) a elektronového obalu -> jaderný či planetární model atomu . Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford ( 1919 ). W. Bothe a H. Becker ( 1930 ) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick ( 1932 ) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu: Rutheford a Marsden u zařízení
  8. 8. http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP) Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem Princip urychlovače typu cyklotron První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930 typ – cyklotron zdroj částic magnetické pole – kruhová dráha částice elektrické VF pole pro urychlení Nobelova cena za fyziku 1939 nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů !!! Potřebujeme urychlovač !!!
  9. 9. Původní patentový nákres a model prvního urychlovače (průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
  10. 10. Z čeho se urychlovač skládá: Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Zdroj plazmy – elektrický výboj Dipólové magnety LHC Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Řídící centrum urychlovače LHC Kryogenní systém pro LHC Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC
  11. 11. V současnosti se dokončil největší urychlovač na světě
  12. 12. 1700 supravodivých magnetů z nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů Tedy 1700 kryogenních propojení. Tedy 50000 kryogenních svarů 200 000 m 2 vícevrstevné izolace Obvod 27 km – slušná linka metra - čtyři experimenty  čtyři zastávky  čtyři křížení dvojice rour Spouštění magnetu do podzemního tunelu Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi 120 tun supravodivého a supratekutého helia
  13. 13. LHCb CMS ALICE ATLAS
  14. 14. Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic Nárůst energie -> větší detaily Zatím největší urychlovače E ~ 1 00 GeV -> 10 -18 m Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m  srážka dvou menších much nebo větších komárů Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV /c 2 LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV  1 123 200 GeV = 1,8 ∙10 -4 J Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí  5  10 17 J (10 000 hirošimských bomb) Stejná energie Rozdíl rozměrů 10 14 V současné době se připravují ke startu 1 eV = 1,602 ∙10 -19 J
  15. 15. Budovaný urychlovač LHC Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí Dosažená teplota: ~ 2,1×10 12 K Dosažená hustota: ~ 4 ρ 0 = 10 18 kg/m 3 Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Soustava s neutronovou hvěz- dou v představách malíře RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky 80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmoty Začátek 21. století – studium extrémně horké hmoty Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
  16. 16. Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout <ul><li>Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly : </li></ul><ul><li>Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti </li></ul><ul><li>Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic </li></ul><ul><li>Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu </li></ul><ul><li>Určit hybnosti částic </li></ul><ul><li>Určit náboje částic </li></ul>Vnitřní dráhové detektory Hadronové kalorimetry Elektromagnetické kalorimetry Velké dráhové komory (umístěné v magnetickém poli)
  17. 17. Jeden z posledních snímků ALICE před letošním uzavřením jeskyně (nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity) !!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
  18. 18. Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky Čekání na ALICI – čekají i čeští fyzikové
  19. 19. Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje tvoří běžnou hmota za normálních podmínek výměnný charakter interakcí baryony – tři kvarky mezo ny – kvark a antikvark elektrický náboj barevný náboj
  20. 20. Jak vidět kvarky? 1) Lze pomocí nich vysvětlit všechny pozorované hadrony (jejich hmotnosti a další vlastnosti: 3) Rozptyl elektronů (50. léta) – rozložení náboje a magnetického momentu -> hadrony nejsou bodové 4) Hluboce nepružný rozptyl (70. léta) – produkce výtrysků -> důkaz existence partonů, které lze spojit s kvarky a gluony (případy s třemi výtrysky prokazují existenci gluonů) Kvarky nelze z hadronů uvolnit – lze je však pozorovat uvnitř nich Problémy – komplikovaná struktura silné interakce, interpretace měření je závislá na teorii
  21. 21. Odkud pochází hmotnost částic – může za to Higgs !!! Generace hmotnosti Peter Higgs před detektorem CMS Stav s vyšší energií – symetrie existuje Vakuum (stav s nižší energií) – symetrie je narušena Higgsův mechanismus – předpověď existence Higgsovi částice Yoichiro Nambu Nobelova cena 2008 ! Nobelova cena …. ?
  22. 22. Proč vzniklo ve vesmíru více hmoty než antihmoty? Přebytek hmoty nad antihmotou = baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) n b /n γ = 10 -9 . Důležité zkoumání základních symetrií P – symetrie -> šup za zrcadlo – asymetrie při výletu elektronu během rozpadu beta neutrina jen levotočivá C – symetrie -> zaměnit částice za antičástice – většina asymetrií se kompenzuje T – symetrie -> obrátit tok času Pochopení zmíněných symetrií a jejich narušení klíčové pro pochopení rozdílu mezi hmotou a antihmotou (Tři podmínky A. Sacharova) Nutné pro pochopení vzniku našeho světa (hvězd, planet i lidí)
  23. 23. Pozorováno v rozpadu K 0 mezonů Evidence narušení CP symetrie: Liší se pouze podivností – podivnost se ve slabých interakcích nezachovává -> oscilace mezi stavy K 0  a anti-K 0 . Podle rozpadu dostaneme pro systém K 0 , anti-K 0 : Ještě větší efekt nastane pro B 0 a anti-B 0 mezony a některé jiné rozpady spojené s B mezony Složka K 0 L -> π + π + π 0 (τ = 5.17∙10 -8 s, CP = -1) K 0 S -> π + π (τ = 0 .89∙10 -10 s, CP = 1) Slabá příměs rozpadu K 0 L -> π + π, který nezachovává CP symetrii Makoto Kobajaši Tošihide Maskawa Vysvětlení narušení Nobelova cena 2008 Jak poznáte mimiozemšťana z antihmoty?
  24. 24. Vyřeší jak vznikl přebytek hmoty nad antihmotou? Experiment LHCb na největším urychlovači čeká na své B mezony
  25. 25. Závěr <ul><li>Fyzikové vypracovávají teorie , které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním. </li></ul><ul><li>Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky </li></ul><ul><li>Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače </li></ul><ul><li>Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje. </li></ul><ul><li>Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice. </li></ul><ul><li>Také horkou a hustou hmotu , jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla. </li></ul><ul><li>Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií. </li></ul><ul><li>Poznání rozdílů mezi hmotou a antihmotou. Proč vůbec můžeme existovat? Letošní Nobelova cena. </li></ul><ul><li>Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás </li></ul>
  26. 26. Ústav jaderné fyziky AVČR
  27. 27. Nový tandetrom v ÚJF AVČR

×