Parçacık Fiziği Söyleşisi

Transkript

1 Parçacık Fiziği Söyleşisi Saleh Sultansoy - TOBB ETÜ Gökhan Ünel - UC Irvine HPFBU Şubat, Kars, Kafkas Üniversitesi 1

2 Parçacık fiziği Maddenin ve etkileşimlerin alt yapısını anlamak 2

3 Büyük Patlama Proton Atom Dünyanın Yarıçapı Dünya-Güneş Uzaklığı Galaksilerin Çapı LHC Evrenin Boyutu Dünyanın en büyük mikroskobu Evrenin ilk anlarını açıklayan fizik kanunlarını anlamak Parçacık fiziği, astrofizik ve kozmoloji arasındaki bağlantıları kurmak cm 3

4 Büyük Patlama Proton Atom Dünyanın Yarıçapı Dünya-Güneş Uzaklığı Galaksilerin Çapı LHC Evrenin Boyutu Dünyanın en büyük mikroskobu Evrenin ilk anlarını açıklayan fizik kanunlarını anlamak Parçacık fiziği, astrofizik ve kozmoloji arasındaki bağlantıları kurmak Hubble WMAP VLT cm ALMA 3

5 Büyük Patlama Proton Atom Dünyanın Yarıçapı Dünya-Güneş Uzaklığı Galaksilerin Çapı LHC Evrenin Boyutu Dünyanın en büyük mikroskobu Evrenin ilk anlarını açıklayan fizik kanunlarını anlamak Parçacık fiziği, astrofizik ve kozmoloji arasındaki bağlantıları kurmak Hubble WMAP VLT cm ALMA 3

6 4

7 Mendeleyev

8 Mendeleyev

9 Mendeleyev

10 Mendeleyev 1869 Evren tarifi: Farklı katılar, sıvılar, gazlar, (herşey) yukardaki elemetleri (Atomları) uygun şekilde karıştırarak yapılır. 4

11 5

12 Lego oyuncakları gibi madde de küçük alt parçalardan oluşur. 5

13 Lego oyuncakları gibi madde de küçük alt parçalardan oluşur. Peki ama en basit Lego birimleri nelerdir? 5

14 İlk parçacık: e- PF macerası 1897'de J.J.Thomson'ın elektronu ( corpuscules ) 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. 6

15 7

16 Atom un içinde ne var acaba? 7

17 JJ Tomson (1904) Atom, içinde artı ve eksi elektrik yükü olan bir karışım olabilir. 7

18 7

19 bilimsel düşünce: deney/gözlem sonuçlarını açıklayan bir varsayım yap. Varsayımı farklı şartlarda test et. Doğrula veya yanlışsa yenisini öner. 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 8

20 bilimsel düşünce: deney/gözlem sonuçlarını açıklayan bir varsayım yap. Varsayımı farklı şartlarda test et. Doğrula veya yanlışsa yenisini öner. 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 8

21 bilimsel düşünce: deney/gözlem sonuçlarını açıklayan bir varsayım yap. Varsayımı farklı şartlarda test et. Doğrula veya yanlışsa yenisini öner. Ernest Rutherford, 1909'da varsayımın geçerliliğini test etmek için bir deney hazırladı. Fizikçiler ilk kez mikroskopla göremedikleri küçük parçacıkların içini araştırdılar. α parçacıkları α parçacıkları algıç algıç beklenen gözlenen 8

22 bilimsel düşünce: deney/gözlem sonuçlarını açıklayan bir varsayım yap. Varsayımı farklı şartlarda test et. Doğrula veya yanlışsa yenisini öner. Ernest Rutherford, 1909'da varsayımın geçerliliğini test etmek için bir deney hazırladı. Fizikçiler ilk kez mikroskopla göremedikleri küçük parçacıkların içini araştırdılar. α parçacıkları α parçacıkları algıç algıç beklenen gözlenen açıklama 8

23 9

24 En basit atom modeli: çekirdek etrafında yörüngede olan elektronlar. Bu tanıma göre madde çekirdek ve elektronlardan oluşuyor. 9

25 Atom çekirdeği parçalanabiliyormuş; Çekirdeğin içinde protonlar ve nötronlar varmış. 9

26 - - 9

27 - - u u u d d d Proton 1968 Nötron Proton ve nötronlar da parçalanabiliyormuş; Onların içinde de kuarklar varmış. 9

28 Temel Parçacıklar 10

29 Temel Parçacıklar Fermionlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? 10

30 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? 10

31 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? 10

32 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? 10

33 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. 10

34 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. d 10

35 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d 10

36 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d d Nötron 10

37 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u d Nötron 10

38 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u d d Nötron 10

39 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u d d Nötron Proton 10

40 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u d d n Nötron p Proton 10

41 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d d u d u p n Nötron Proton 10

42 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u d d Nötron Proton 10

43 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u d d Nötron Proton 10

44 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u e d d Nötron Proton 10

45 Temel Parçacıklar Maddenin Üç Ailesi Etrafımızdaki cisimleri oluşturanlar Fermionlar Erken evrende ve laboratuarda olanlar Kuarklar: u, c, t, b, d, b,? Leptonlar: υe, υμ, υτ, e, μ, τ? Evren tarifi: Çekirdekler, atomlar yukardakileri uygun şekilde karıştırarak yapılır. u d u u e e d d e Nötron Proton e e 10

46 Fermiyon (dönü=½) kütleleri(gev) ve yükleri Aile 1 Aile 2 Aile 3 u,c,t d,s,b ve,vµ,vτ e, µ, τ Kütle Yük Kütle Yük Kütle Yük ⅔ 1.3 ⅔ 175 ⅔ ⅓ 0.1 -⅓ 4.3 -⅓ <1x < <

47 Fermiyon (dönü=½) kütleleri(gev) ve yükleri Aile 1 Aile 2 Aile 3 u,c,t d,s,b ve,vµ,vτ e, µ, τ Kütle Yük Kütle Yük Kütle Yük ⅔ 1.3 ⅔ 175 ⅔ ⅓ 0.1 -⅓ 4.3 -⅓ <1x < <

48 Atomun yapısı boy boy boy boy 12

49 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) 13

50 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) 13

51 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) 13

52 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) Evrenin çalışmasını anlatan şimdiye kadar gördüğümüz 4 etkileşim türü var. 13

53 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) Evrenin çalışmasını anlatan şimdiye kadar gördüğümüz 4 etkileşim türü var. Güçlü Çekim Elektro manyetik Zayıf 13

54 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) Evrenin çalışmasını anlatan şimdiye kadar gördüğümüz 4 etkileşim türü var. Güçlü Çekim Elektro manyetik Zayıf Tüm etkileşimler madde ve kuvvet taşıyıcılarla açıklanabilir. Ancak henüz yerçekiminin taşıyıcılarını bulamadık Graviton araştırmaları devam ediyor. 13

55 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) Güçlü Elektro manyetik Hala bazı parçalar eksik! Çekim Zayıf 13

56 Temel Etkileşimler (yapıtaşlarını bir arada tutan nedir?) Hala bazı parçalar eksik! H Higgs Bozonu 13

57 Kuvvet Taşıyıcılar Yerçekimi Zayıf Elektromanyetik Güçlü Taşıyan Etkiler Graviton (henüz gözlenmedi) hepsi W+ W- Z o Photon Gluon Kuarklar ve Leptonlar Kuarklar ve Yüklü Leptonlar ve W+ W- Kuarklar ve Gluonlar isim Kütle (GeV) Yük photon γ 0 0 Ζ ο W W isim gluon g Kütle (GeV) Yük

58 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. yansıma etrafında bükülme 15

59 Neden yüksek enerji? A.H.Compton, durgun bir parçacıktan saçılan ışığın dalga boyunda kayma meydana gelir (1923), λ'-λ=λc(1-cosθ), burada λc hedef parçacığın Compton dalga boyudur. c = Yüksek demet enerjisi Daha kısa dalgaboyu Daha iyi çözünürlük elektron h mc α parçacığı α parçacığı çekirdek 16

60 zayıf etkileşim elektromanyetik etkileşim güçlü etkileşim 17

61 Etkileşme örnekleri güçlü etkileşim elektromanyetik etkileşim zayıf etkileşim 18

62 HADRONLAR Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar 19

63 HADRONLAR Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar 19

64 HADRONLAR Kuarklardan yapılmış ve güçlü etkileşen parçacıklar 19

65 ...ve bir çok başkaları 20

66 PF birimleri 21

67 PF birimleri 21

68 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 21

69 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 21

70 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: 21

71 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: K = ½ mv 2 ~ 20 J 21

72 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: K = ½ mv 2 ~ 20 J Yani yürürken kinetik enerjimiz: 21

73 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: K = ½ mv 2 ~ 20 J Yani yürürken kinetik enerjimiz: 20 J = 1.25 x ev 21

74 PF birimleri Enerji elektron volt (ev) 1 ev = 1.6 x J 70 kg kütleli birisinin yürürken (saniyede ~1 adım) sahip olduğu kinetik enerji: K = ½ mv 2 ~ 20 J Yani yürürken kinetik enerjimiz: 20 J = 1.25 x ev = 1.25 x 10 8 TeV 21

75 Enerji: GeV Zaman: (GeV/ħ) -1 Momentum: GeV/c Uzunluk: (GeV/ħc) -1 Kütle: GeV/c 2 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. 22

76 Standart Model Eelktrozayıf kuram Foton ve iki kuzeni W, Z parçacıkları (CERN de keşfedildiler). Kuvvetli etkileşim Proton ve nötronları birlikte neyin tuttuğunu biliyoruz: gluonlar Sonuç: Kuvvet taşıyıcılar Tek bir kuramla elektrozayıf ve güçlü etkileşimler açıklanabilir! Tüm atom ve atomaltı etkileşimleri anlayabilmek mümkün. SM & Genel Görecelik (GG) yaşadığımız evreni açıklar. ( mı? ) H Higgs Bozonu Bügün, bilinen en temel yapıtaşları 23

77 Standart Model Şiddetli çekirdek etkileşimi Elektromanyetik etkileşim Zayıf çekirdek etkileşimi Yerçekimi Bu dört etkileşimden üçünü birleştirebildiğimiz kurama Standart model diyoruz 24

78 STANDART MODEL Evrende gördüğümüz bütün madde 12 tane temel parçacık ve bunların birleşmesinden oluşan parçacıklardan oluşuyor Aralarında etkileşmeler (yerçekimi dışında) 4 tane etkileşim taşıyıcı parçacık tarafından sağlanıyor Standart Model ile hesap yapmamız için deneysel verilere ihtiyacımız var, parçacık kütleleri gibi Parçacıklara kütlelerini verdiği düşünülen Higgs parçacığı henüz gözlenmedi 25 LHC?

79 STANDART MODEL ÖTESİ Yaptığımız ölçümler gösteriyor ki evrendeki maddenin anti-maddeye oranı Standart Model hesaplarından bir milyar kat daha fazla Evrende gözlemlediğimiz Standart Model in içindeki madde evrenin sadece %4 ünü oluşturuyor Yerçekimi etkilerinden anladığımız evrenin %26 sı göremediğimiz Kara Maddeden (Dark Matter) oluşuyor Geri kalan %70 aynı şekilde dolaylı gözlemlediğimiz Karanlık Enerji (Dark Energy) 26