Kvarkar och klisterpartiklar frgstarkt och fngslande

1
Kvarkar och klisterpartiklar färgstarkt och
fängslande
Gunnar Ingelman, Högenergifysik,
UU www.isv.uu.se/ingelman
Kvarkar de minsta, innersta (kända)
byggstenarna i materien Klisterpartiklar /
gluoner den starka kraftens kvanta /
förmedlarpartiklar Färg-laddning källa för
Starka kraften Starka kraften fängslar partiklar
och
forskare!
lt 0.000 000 000 000 000 001 m
2
Kvarkar observeras ffg 1968 på SLAC

• Oväntat många elektroner
• spridda till stora vinklar ?
• punktladdningar
• i protonen !!!

Nobelpris 1990 Friedman, Kendall, Taylor

• Jfr. Rutherford ? atomkärnan
• oväntat många ?-partiklar spreds
• av guldfolie till stora vinklar
• atomens massa
• samlad i liten kärna

Q2 ?2 1/?2
3
Kvarkar bundna i protonen av stark kraft
Heisenbergs osäkerhetsrelation ?x?p h ? ?p
h/?x
Källa för stark växelverkan färg-laddning
jfr. elektrisk laddn. 3 färg-laddningar
röd, grön, blå hos kvarkarna 1 hos
e- 3 anti-färgladdningar r g b
hos anti-kvarkarna 1 hos e
beskrivning med matris-algebra och grupp-teori
proton 3 kvarkar med
färgladdningar rgb vitt neutral
(analogt med färg)
4
Kvantfält-teori ? utbytespartiklar
Kraftfältets kvanta förmedlar växelverkan Elektro
-magnetism ? foton ? Starka kraften ? gluon
klisterpartikel
( limon ?)
tid
Kvarkar växelverkar genom gluon-utbyte, som
ändrar kvarkarnas färgladdning ty gluonen bär
färg-antifärg-laddning Teori Quantum
ChromoDynamics QCD
(kvantkromodynamik)
rum
5
Protonens inre dynamik

• proton 3 valens-kvarkar (up,up,down)
• gluoner (kraftfält)
• kvark-antikvark-par
  (kvantfluktuationer)
• ? protonen mång-partikeltillstånd
• högre upplösning (energi) ser mer fluktuationer

6
Vad händer med utskjutna kvarken?
Kvarkens rörelse-energi ? fält-energi ?
kvark-antikvark-par

• E mc2
• nya hadroner
• jet (skur) av hadroner

qqqproton

• Starkt gluon-kraftfält fängslar kvarkarna i
  hadroner ? confinement
• Lund-modellen 1-dim. sträng V(r)? r, ? 1
  GeV/10-15 m ? 16 ton / m

7
Dagens största elektronmikroskop HERA
(Hadron-Elektron-Ring-Anlage) _at_ DESY i Hamburg
Teori ? datormodell
Observerat
8
Test av QCD-teorin
Accelererad laddning emitterar kvanta, t.ex.
oscillerande elektrisk laddning ? antenn
?e2/4? QEDs kopplings-styrka
?s g2/4? QCDs kopplings-styrka beror av energin

• Observerade 2-jet-händelser
• påvisar gluonen
• mäter ?s
• Emission av flera gluoner
• i teori och observationer

9
QCD-kraftens styrka

• Q ? energi E
• stor energi ? liten koppling ?s
• Q2 ? ? ?s ? 0
• asymptotic freedom
• kvarkarna fria
• ? teorin OK, beräkningsbar
• liten energi ? stor koppling ?s
• Q2 ? ??0.2 GeV ?s(Q2) ? ?
• confinement
• kvarkarna fängslade
• ? teorin ej löst, problem

10

• 21 Sept. 1994
• April 1994
• ?

11
Ingelman-Schlein-modellen
Proton-proton spridning elastisk
diffraktiv
12
Överraskningen vid HERA

• Normalt, kvark separerad från protonen
• färg-kraftfält
• ? hadroner

10 gap-events, dvs med tom framåt-detektor
Inga hadroner ? inget färg-fält emellan
!? Spridning på färgneutral Pomeron ? protonen
intakt (? i strålröret)
events

• Som IS-modellen förutsagt !
• Mäter kvark/gluon-innehåll
• Nya QCD-fenomen
• 25 av HERA-publikationer
• berör detta område

? gap size
13
Djupare QCD-teoretisk förståelse utvecklas

• Soft Colour Interaction-modellen
• GI Rathsman-96, Edin-98, Timneanu-02, Enberg-03
• spridd kvark växelverkar med protonens färgfält
• gluon-utbyte ? ändrad färg-laddning
• protonen intakt, skiljs från färgneutralt qq?X
• Enkel modell (1 fri parameter) beskriver alla
  data !

Multipel-spridning kan beskrivas med
Wilson-line
summerar till exponential-funktion ? teoretisk
bas för modellen
Brodsky, Enberg, Hoyer, GI, 2005
14
Forskargruppen i teoretisk högenergifysik
sommaren 2004
Johan Rathsman forskarassistent ? lektor
Johan Alwall doktorand ? postdoc SLAC
Nic Timneanu doktorand ? forskare biofysik
Leszek Motyka postdoc ? Hamburg

• Rikard
• Enberg
• doktorand
• postdoc
• Berkeley

2005
Magdalena Larfors X-jobb-student ? doktorand
teor. fysik
GI
Korinna Zapp diplom-student ? doktorand Heidelberg
David Eriksson doktorand
15
Teoretisk subatomär fysik _at_ UU onwards and
upwards !
Fenomenologi experiment-anknuten
teori Datorsimulering av processer ? kraftfullt
verktyg

• Starka kraften Quantum ChromoDynamics
• - kvark-gluondynamik
• - proton andra hadroner komplext system
• Ny fysik LHC _at_ CERN
• - supersymmetri och andra kandidat-teorier
• - laddad Higgs-partikel klar signal för ny
  fysik,
• simulering av produktion sönderfall
• ? search strategy discovery potential
• Astropartikelfysik

16
ATLAS vid LHC på CERN
Tord Ekelöf et al.

• proton-proton-kollisioner med 14 000 GeV energi
• Högre energi ? nya, tunga partiklar kan skapas
  !?
• Högre upplösning ? nya, mindre strukturer kan
  observeras !?

17
Teoretisk subatomär fysik _at_ UU onwards and
upwards !
Fenomenologi experiment-anknuten
teori Datorsimulering av processer ? kraftfullt
verktyg

• Starka kraften Quantum ChromoDynamics
• - kvark-gluondynamik
• - proton andra hadroner komplext system
• Ny fysik LHC _at_ CERN
• - supersymmetri och andra kandidat-teorier
• - laddad Higgs-partikel klar signal för ny
  fysik,
• simulering av produktion sönderfall
• ? search strategy discovery potential
• Astropartikelfysik modeller för processer
• ? neutrino-flöden från kosmos
• ? detektion av kosmiska neutriner
• med radio-antenn i Månsatellit

18
Prospects for Lunar satellite detection of radio
pulses from UHE neutrinos interacting with the
Moon
O. Stål et al., Physical Review Letters 98,
071103 (2007) High Energy Physics, UU
Swedish Institute of Space Physics Gunnar
Ingelman, Oscar Stål Bo Thidé, Jan Bergman,
Lars Daldorff
19
Forskargruppen i teoretisk högenergifysik
Linnés Hammarby 26 juni 2007
Professor/lektor postdoc gästforskare
doktorander
20
Kvarkvisa
Bland kvarkar och gluoner (melodi O, gamla
klang och jubeltid) Var äro de som kunde
allt blott ej sin forskning svika, som voro män
av äkta halt och Almas herrar lika? De drogo
bort till CERN med språng, från
undervisnings-tråk och tvång, till kvarkar och
gluoner, till kvarkar och gluoner!
Med hjärnan uti god vigör vi nya vägar finna.
Med exp'riment, som där vi gör vi nya rön skall
vinna. Den gamla läran brustit har, av kärnan
finnes kvarkar kvar! Och vad vi än må mista, de
skall väl aldrig brista?