Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi en ny revolusjon?

1. Partikkelfysikk inn i det 21 århundre.Trenger vi en ny revolusjon? Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi

2. Disposisjon • Kort om revolusjonen fra 1900-1930 • Hvordan vårt nåværende syn ble til • Ubesvarte spørsmål • Link til astrofysikk og kosmologi • Flere ubesvarte spørsmål

3. Hva er verdens byggestener og hvordan virker byggestenene på hverandre? • Atomer postulert allerede av Demokrit • Hvis det ikke fantes noen minste byggestener, så ville alt smuldre opp • Maxwells elektromagnetisme: • Akselererte ladninger stråler og mister energi. • Umuliggjorde atomer med kretsende elektroner • (atomer var foretrukket av kjemikere, Dalton, Mendeljevev ) • Men hvordan var katodestrålene bundet i materien? (katodestråler = elektroner) • Negativt ladde rosiner i en positiv grøt?

4. Rutherfords eksperiment: alfapartikler på gullfolie Dette skjer hvis materie er som en grøt med rosiner  Dette observerte Rutherford, noe som passer med tunge kjerner  Fra “Wikimedia Commons”

5. Bohrs atommodell • Atomer som mini solsystem, men tunge positive kjerner og kretsende elektroner • Bare visse baner var tillatte • Uakseptabel teori i lys av elektromagnetisme.

6. Den kvantemekaniske revolusjon • Schrödinger energiligning. • (Etot = Ekin+ Epot etter visse regler) • Finner bestemte energinivåer, men postulerer at partikkelbaner ikke kan bestemmes eksakt. • Faststoff-fysikk, kjerne+partikkelfysikk og kjemi er basert på kvantemekanikk. • Har bestått alle tester

7. Et heliumatom, elektronskyer, kjerneskyer. (figurer fra Wikipedia)

8. I 1932 er atommodellen godt etablert • Tunge kjerner med nøytroner og protoner • Elektroner i ”skyer” omkring, beskrevet etter kvantemekaniske prinsipper

9. Hvor lenge var Adam i paradis? • Til 1933, da ble positronet funnet. • Forutsagt av Dirac noen år tidligere gjennom sin relativistiske kvantemekanikk. • Alle partikler har sine antipartikler med motsatt ladning , mens alle andre egenskaper er beholdt. (noen nøytrale partikler er sine egne antipartikler)

10. β-stråling dn/dE Emax 0,5-1 MeV E Kontinuerlig energispektrum, midlere E = 1/3 Emax Er energien bevart? Bare hvis en postulerer en ny partikkel, nøytrinoet.

11. Moderne partikkelfysikk • Studier av materiens minste byggestener og av kreftene mellom dem • Eksperimentelt, ved å se på kollisjoner mellom partikler. • Teoretisk, ved å utvikle modeller og regne ut hva som skjer.

13. CERN, Geneve: Senter for partikkelfysikk, 27 km lang sirkulær akselerator. LEP, Large electron positron ring, inntil 2000 LHC, Large hadron Collider, fra 2007!

18. Ikke frie kvarker, men • Baryoner, som består av tre kvarker • Mesoner, som består av en kvark og en antikvark. • Leptoner, som elektronet, som er en ”punktpartikkel”

19. Feynman diagrammer for å beskrive prosessene med vekselvirkningspartikler d u W+ e+ νe u  d + e+ + νe d  u + e- + νe (elektro)svake krefter

20. Elektro- svak Kraft

21. Kan alt beskrives med samme teori?Hva betyr ”samme teori”? • Må ha en relasjon mellom ladningene i de forskjellige kreftene. • Elektrosvak teori g er svak ladning e er elektrisk ladning ofte brukes α=e2/(2ε0hc) istedenfor ladning

22. Standardmodellen (SM) oppsummert • Tre og bare tre generasjoner kvarker og leptoner. • Forening av elektromagnetisme og svake kjernekrefter. • Litt asymmetri mellom materie og antimaterie (CP brudd) på en selvkonsistent måte • En mekanisme for å gi partiklene masse • Ingen jordiske observasjoner bryter med SM, Standardmodellen er en stor suksess!

23. Ubesvarte spørsmål • Mekanismen for å gi partiklene masse må bekreftes av eksperiment, d.v.s: vi må finne higgspartikkelen. • S.M. kan ikke forutsi verdier av massene. • Hvorfor er elektron og protonladningene like? • Hvorfor ingen antipartikler i universet? (CP-bruddet vi observerer er for lite til å forklare) • Kan vi få med gravitasjon i en enhetlig teori?

24. UT I VERDENSROMMET! • Mørk materie • Universets ekspansjon • Mørk energi

25. Mørk materie Definisjon: Materie som nesten bare føler gravitasjons- kraften. Ingen spor i form av synlig stråling

26. Galaktiske rotasjonskurver viser at Må enten modifisere Netowns gravitasjon eller innføre mørk materie i galaksenes ytterområder

27. Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum.A:uten mørk materieB:Observasjon

28. Dopplereffekt (rød/blå-forskyvning) (for “små” hastigheter)

29. Hubbles lov: v=H0d Objektene i universet fjerner seg fra oss med en hastighet som er proposjonal med avstanden. Proposjonalitets”konstant”: H0=(71±3) km/s/Mpc (1 pc = 3,26 lysår)

30. Supernovaer og avstand • Supernova-eksplosjoner er en godt kjent del av en stjernes livssyklus → godt kjent og høy lys-intensitet, L. • Kan se fjerne supernovaer p.g.a. intensiteten • Avstand, r, gitt fra l = kL/r²

31. m = størrelsesklasse Høy m betyr svakt lys (som betyr stor avstand) Det fins nå noen observasjoner med z godt over 1 (v.h.a. Hubble space telescope) Rødskift (hastighet)

32. Men Hubble’s konstant var slett ikke konstant gjennom universets historie. For rødskift som nærmer seg 1 skal man se avvik fra dagens verdi Ω-ene beskriver massen og energien i universet (summerer seg til ca. 1)

33. Observasjoner passer med ΩM=Ωsynlig +Ωmørkmaterie=0,05+0,25 ΩΛ=0,7 (mørk, frastøtende energi!)

34. 100 år med sort stråling • Alle legemer avgir et strålespekter som bare avhenger av temperatur • Plancks strålingslov:

35. Plancks strålingslov • Utledet for 100 år siden ved å anta diskrete energitilstander for fotonene • Viktig brikke under utviklingen av kvantemekanikken • Nå: Viktig som bevis for å underbygge teorien om Big Bang

36. Universets temperatur er (2,725 ±0,002)K !!!! Årets nobelpris for påvisning av små romlige forskjeller i spekter

37. Hva betyr det at universet ekspanderer? • En geometrisk effekt i Einsteins generelle relativitetsteori, der selve skalaen ekspanderer i alle punkter • Galakser etc.er rosiner i en bolledeig under hevning! • Tilstedeværelse og temperatur fra kosmisk mikrobølgespekter underbygger Big Bang teori

39. Dette er en modell!

40. The Big Bangand its particles 13.7 milliarder år Kosmologi Astropartikkelfysikk Partikkelfysikk 1 ps Hvilke partikler? 10-34 s Big Bang

41. Utfordringer for partikkelfysikken • Hva består den mørke materien av? • Hva er mørk energi? • Kan kreftene i naturen beskrives under samme lest? • Er Higgs-mekanismen forklaringen på hvordan partiklene får masse? • Hvorfor har universet så lite antimaterie?

42. ATLAS eksperimentet ved CERN

43. Bidrag fra BergenTeste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6x12 cm2) Silisium-sensorer: Samme teknologi som lysfølsomme dioder Samme materiale som all mikroelektronikk

44. Fysikkarbeidsgrupper ved ATLAS • Topp-kvark • B-mesoner • Standard-modellen • Higgs • Supersymmetri • ”Exotics”

45. t-kvarken • Eksistens etablert ca 1994 • Eneste kvark som henfaller før den binder seg til en annen kvark. • Ca 50000 ganger tyngre enn u og d kvarker • Egenskaper (henfallsprodukt etc.) fortsatt dårlig kjent, og må studeres)

46. En partikkelkollisjon der et topp-antitopp par produseres. Merk: Antall kvarker produsert = antall antikvarker produsert

47. B-mesoner: CP-brudd • Mesoner som inneholder b-kvarken (den nest tyngste kvarken) • Dedikerte eksperimenter (”B-factories”)har funnet en liten forskjell mellom B-mesoner, og deres antimesoner (CP-brudd) • Ikke nok til å forklare den store asymmetrien mellom materie og antimaterie i universet. • LHC eksperimentene kan gjøre alternative studier

48. Standardmodell (SM)-fysikk • Grunnet den svært høye kollisjonsraten får vi ved LHC masse data om veldig mange prosesser og partikler. • Disse kan brukes til presisjonsmåling av mange av standarmodellens prediksjoner får enten befestet SM ELLER en finner avvik, noe som antakelig bare kan forklares gjennom utvidelser av SM

49. SUPERSYMMETRI (SUSY) • En foreslått utvidelse av SM, der hver eneste partikkel har sin supersymmetriske partner-partikkel. • Mest plausible måte å få forent de sterke vekselvirkninger med de elektrosvake

50. Supersymmetri, en partnerpartikkel til hver kjente vanlige partikkel