610 likes | 815 Views
Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi en ny revolusjon?. Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi. Disposisjon. Kort om revolusjonen fra 1900-1930 Hvordan vårt nåværende syn ble til Ubesvarte spørsmål Link til astrofysikk og kosmologi Flere ubesvarte spørsmål.
E N D
Partikkelfysikk inn i det 21 århundre.Trenger vi en ny revolusjon? Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi
Disposisjon • Kort om revolusjonen fra 1900-1930 • Hvordan vårt nåværende syn ble til • Ubesvarte spørsmål • Link til astrofysikk og kosmologi • Flere ubesvarte spørsmål
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?
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”
Bohrs atommodell • Atomer som mini solsystem, men tunge positive kjerner og kretsende elektroner • Bare visse baner var tillatte • Uakseptabel teori i lys av elektromagnetisme.
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
Et heliumatom, elektronskyer, kjerneskyer. (figurer fra Wikipedia)
I 1932 er atommodellen godt etablert • Tunge kjerner med nøytroner og protoner • Elektroner i ”skyer” omkring, beskrevet etter kvantemekaniske prinsipper
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)
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.
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.
CERN, Geneve: Senter for partikkelfysikk, 27 km lang sirkulær akselerator. LEP, Large electron positron ring, inntil 2000 LHC, Large hadron Collider, fra 2007!
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”
Feynman diagrammer for å beskrive prosessene med vekselvirkningspartikler d u W+ e+ νe u d + e+ + νe d u + e- + νe (elektro)svake krefter
Elektro- svak Kraft
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
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!
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?
UT I VERDENSROMMET! • Mørk materie • Universets ekspansjon • Mørk energi
Mørk materie Definisjon: Materie som nesten bare føler gravitasjons- kraften. Ingen spor i form av synlig stråling
Galaktiske rotasjonskurver viser at Må enten modifisere Netowns gravitasjon eller innføre mørk materie i galaksenes ytterområder
Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum.A:uten mørk materieB:Observasjon
Dopplereffekt (rød/blå-forskyvning) (for “små” hastigheter)
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)
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
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)
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)
Observasjoner passer med ΩM=Ωsynlig +Ωmørkmaterie=0,05+0,25 ΩΛ=0,7 (mørk, frastøtende energi!)
100 år med sort stråling • Alle legemer avgir et strålespekter som bare avhenger av temperatur • Plancks strålingslov:
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
Universets temperatur er (2,725 ±0,002)K !!!! Årets nobelpris for påvisning av små romlige forskjeller i spekter
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
The Big Bangand its particles 13.7 milliarder år Kosmologi Astropartikkelfysikk Partikkelfysikk 1 ps Hvilke partikler? 10-34 s Big Bang
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?
Bidrag fra BergenTeste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6x12 cm2) Silisium-sensorer: Samme teknologi som lysfølsomme dioder Samme materiale som all mikroelektronikk
Fysikkarbeidsgrupper ved ATLAS • Topp-kvark • B-mesoner • Standard-modellen • Higgs • Supersymmetri • ”Exotics”
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)
En partikkelkollisjon der et topp-antitopp par produseres. Merk: Antall kvarker produsert = antall antikvarker produsert
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
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
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
Supersymmetri, en partnerpartikkel til hver kjente vanlige partikkel