Normal text click to edit Partikkelfysikk inn i

  • Slides: 61
Download presentation
Normal text - click to edit Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi

Normal text - click to edit Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi en ny revolusjon? Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi

Disposisjon Normal text - click to edit • • • Kort om revolusjonen fra

Disposisjon Normal text - click to edit • • • 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? Normal text - click

Hva er verdens byggestener og hvordan virker byggestenene på hverandre? Normal text - click to edit • 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 Normal texter som - click Dette skjer hvis materie

Rutherfords eksperiment: alfapartikler på gullfolie Normal texter som - click Dette skjer hvis materie en grøt med rosiner to edit Dette observerte Rutherford, noe som passer med tunge kjerner Fra “Wikimedia Commons”

Bohrs atommodell Normal text - click to edit • Atomer som mini solsystem, men

Bohrs atommodell Normal text - click to edit • 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 Normal text - click to edit • Schrödinger energiligning. – (Etot

Den kvantemekaniske revolusjon Normal text - click to edit • 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) Normal text - click to edit

Et heliumatom, elektronskyer, kjerneskyer. (figurer fra Wikipedia) Normal text - click to edit

I 1932 er atommodellen godt etablert Normal text - click to edit • Tunge

I 1932 er atommodellen godt etablert Normal text - click to edit • Tunge kjerner med nøytroner og protoner • Elektroner i ”skyer” omkring, beskrevet etter kvantemekaniske prinsipper

Hvor lenge var Adam i paradis? Normal text click to edit • Til 1933,

Hvor lenge var Adam i paradis? Normal text click to edit • 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/d. E Normal text - click to edit Emax 0, 5 -1 Me.

β-stråling dn/d. E Normal text - click to edit Emax 0, 5 -1 Me. V E Kontinuerlig energispektrum, midlere E = 1/3 Emax Er energien bevart? Bare hvis en postulerer en ny partikkel, nøytrinoet.

Moderne partikkelfysikk Normal text - click to edit • Studier av materiens minste byggestener

Moderne partikkelfysikk Normal text - click to edit • 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.

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

CERN, Geneve: Senter for partikkelfysikk, 27 km lang sirkulær akselerator. LEP, Large electrontext positron

CERN, Geneve: Senter for partikkelfysikk, 27 km lang sirkulær akselerator. LEP, Large electrontext positron ring, inntil 2000 Normal - click to edit LHC, Large hadron Collider, fra 2007!

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Ikke frie kvarker, men Normal text - click to edit • Baryoner, som består

Ikke frie kvarker, men Normal text - click to edit • 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 Normal+ text - click to

Feynman diagrammer for å beskrive prosessene med vekselvirkningspartikler d Normal+ text - click to edit u W e+ νe u d + e+ + νe d u + e- + νe (elektro)svake krefter

Elektrosvak Kraft Normal text - click to edit

Elektrosvak Kraft Normal text - click to edit

Kan alt beskrives med samme teori? Hva betyr ”samme teori”? Normal text - click

Kan alt beskrives med samme teori? Hva betyr ”samme teori”? Normal text - click to edit • Må ha en relasjon mellom ladningene i de forskjellige kreftene. • Elektrosvak teori g er svak ladning e er elektrisk ladning ofte brukes α=e 2/(2ε 0 hc) istedenfor ladning

Standardmodellen (SM) oppsummert Normal text - click to edit • Tre og bare tre

Standardmodellen (SM) oppsummert Normal text - click to edit • 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 Normal text - click to edit • Mekanismen for å gi partiklene

Ubesvarte spørsmål Normal text - click to edit • 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! Normal text - click to edit • Mørk materie • Universets

UT I VERDENSROMMET! Normal text - click to edit • Mørk materie • Universets ekspansjon • Mørk energi

Mørk materie Normal text - click to edit Definisjon: Materie som nesten bare føler

Mørk materie Normal text - click to edit Definisjon: Materie som nesten bare føler gravitasjonskraften. Ingen spor i form av synlig stråling

Galaktiske rotasjonskurver viser at Normal text - click to edit Må enten modifisere Netowns

Galaktiske rotasjonskurver viser at Normal text - click to edit Må enten modifisere Netowns gravitasjon eller innføre mørk materie i galaksenes ytterområder

Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum. A: uten mørk materie B: Observasjon

Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum. A: uten mørk materie B: Observasjon Normal text - click to edit

Dopplereffekt (rød/blå-forskyvning) Normal text - click to edit (for “små” hastigheter)

Dopplereffekt (rød/blå-forskyvning) Normal text - click to edit (for “små” hastigheter)

Hubbles lov: v=H 0 d Normal text - click to edit Objektene i universet

Hubbles lov: v=H 0 d Normal text - click to edit Objektene i universet fjerner seg fra oss med en hastighet som er proposjonal med avstanden. Proposjonalitets”konstant”: H 0=(71± 3) km/s/Mpc (1 pc = 3, 26 lysår)

Supernovaer og avstand Normal text - click to edit • Supernova-eksplosjoner er en godt

Supernovaer og avstand Normal text - click to edit • 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 = k. L/r²

m = størrelsesklasse Høy m betyr svakt lys (som betyr stor avstand) Normal text

m = størrelsesklasse Høy m betyr svakt lys (som betyr stor avstand) Normal text - click to edit 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

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

Observasjoner passer med Normal text - click to edit ΩM=Ωsynlig +Ωmørkmaterie=0, 05+0, 25 ΩΛ=0,

Observasjoner passer med Normal text - click to edit ΩM=Ωsynlig +Ωmørkmaterie=0, 05+0, 25 ΩΛ=0, 7 (mørk, frastøtende energi!)

100 år med sort stråling Normal textet-strålespekter click to editsom bare • Alle legemer

100 år med sort stråling Normal textet-strålespekter click to editsom bare • Alle legemer avgir avhenger av temperatur • Plancks strålingslov:

Plancks strålingslov Normal text - click to edit • Utledet for 100 år siden

Plancks strålingslov Normal text - click to edit • Utledet for 100 år siden ved å anta diskrete energitilstander 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 Normal text - click to edit

Universets temperatur er (2, 725 ± 0, 002)K Normal text - click to edit !!!! Årets nobelpris for påvisning av små romlige forskjeller i spekter

Hva betyr det at universet ekspanderer? Normal text - click to edit • En

Hva betyr det at universet ekspanderer? Normal text - click to edit • 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

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit Dette er en modell!

Normal text - click to edit Dette er en modell!

The Big Bang and its particles 13. 7 milliarder å Kosmologi Normal text -

The Big Bang and its particles 13. 7 milliarder å Kosmologi Normal text - click to edit Astropartikkelfysikk Partikkelfysikk Hvilke partikler? Big Bang 1 ps 10 -34 s

Utfordringer for partikkelfysikken Normal text - click to edit • • • Hva består

Utfordringer for partikkelfysikken Normal text - click to edit • • • 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?

ATLAS eksperimentet ved CERN Normal text - click to edit

ATLAS eksperimentet ved CERN Normal text - click to edit

Bidrag fra Bergen Teste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6 x 12

Bidrag fra Bergen Teste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6 x 12 cm 2) Normal text - click to edit Silisium-sensorer: Samme teknologi som lysfølsomme dioder Samme materiale som al mikroelektronikk

Fysikkarbeidsgrupper ved ATLAS • • • Normal text - click to edit Topp-kvark B-mesoner

Fysikkarbeidsgrupper ved ATLAS • • • Normal text - click to edit Topp-kvark B-mesoner Standard-modellen Higgs Supersymmetri ”Exotics”

t-kvarken Normal text - click to edit • Eksistens etablert ca 1994 • Eneste

t-kvarken Normal text - click to edit • 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. Normal text - click to edit Merk:

En partikkelkollisjon der et topp-antitopp par produseres. Normal text - click to edit Merk: Antall kvarker produsert = antall antikvarker produsert

B-mesoner: CP-brudd Normal text - click to edit • Mesoner som inneholder b-kvarken (den

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

Standardmodell (SM)-fysikk Normal text - click to edit • Grunnet den svært høye kollisjonsraten

Standardmodell (SM)-fysikk Normal text - click to edit • 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) Normal text - click to edit • En foreslått utvidelse av SM,

SUPERSYMMETRI (SUSY) Normal text - click to edit • 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 Normal text - click to edit

Supersymmetri, en partnerpartikkel til hver kjente vanlige partikkel Normal text - click to edit

SUSY (forts) Normal text - click to edit • I de minimale modellene har

SUSY (forts) Normal text - click to edit • I de minimale modellene har vi en bevaringslov i antall partiker som medfører at den letteste supersymmetriske partikkel er helt stabil! • Kandidat for universets mørke materie! – Må være nøytral – Må være tyngre enn ca 40 Ge. V (fra eksperimenter) – Bør finne signaler for dette ved LHC, hvis SUSY finnes.

Ladningenes styrke avhenger av energioverføringen i kollisjonene Normal text - click to edit

Ladningenes styrke avhenger av energioverføringen i kollisjonene Normal text - click to edit

HIGGS-partikkel(er) Normal text - click to edit • SM forutsier at Higgspartikkelen må eksistere

HIGGS-partikkel(er) Normal text - click to edit • SM forutsier at Higgspartikkelen må eksistere for at partiklene skal kunne ha masse! • Presisjonsmålinger: Hvis SM er rett så er higgspartikkelmassen mindre enn ca. 200 -300 Ge. V • Da skal denne kunne finnes ved LHC!!! • SUSY og andre utvidelser forutsier en eller flere higgspartikler. .

Det fins Higgs kandidater fra LEP-eksperimentene Men ikke bevis: Normal SM-Higgs massen må være

Det fins Higgs kandidater fra LEP-eksperimentene Men ikke bevis: Normal SM-Higgs massen må være over 114 Ge. V. text - click to edit

Kan Higgs-feltene ha noe med den mørke energien å gjøre? Normal text - click

Kan Higgs-feltene ha noe med den mørke energien å gjøre? Normal text - click to edit • Det fins i hvert fall teoretikeres som spekulerer på det. . .

Eksotiske fenomener Normal text - click to edit • Signaturer for ekstra dimensjoner –

Eksotiske fenomener Normal text - click to edit • Signaturer for ekstra dimensjoner – Teorier kan konstrueres der gravitasjonskraften virker i mer enn 3 dimensjoner, mens de andre kreftene virker i bare 3 dimensjoner. – Kan være med å forklare mørk materie, som da evt. finnes i de usynlige dimensjonene!!!! • Mini svarte hull: Kan vi i LHC lage så høy masseenergitetthet at dette kollapser i et svart hull? – NB: I så fall er det svarte hullet meget kortlivet!

Simulert signatur for mini svart hull Normal text - click to edit

Simulert signatur for mini svart hull Normal text - click to edit

Oppsummert • Vi har en vel etablert for hvordan Normal textteori - click to

Oppsummert • Vi har en vel etablert for hvordan Normal textteori - click to edit elementærpartiklene vekselvirker og hvordan materien er bygd opp fra disse (Standardmodellen) • Vi har nå mye data som underbygger Big Bang kosmologi, men vi trenger både mørk materie og repulsiv mørk energi for å forklare det vi ser • Det er nå en sterk kobling mellom astrofysikk og partikkelfysikk.

LHC vil åpne et nytt energivindu Normal text - click to edit • Bør

LHC vil åpne et nytt energivindu Normal text - click to edit • Bør gi oss innsikt i hvorfor partikler har masse (higgsmekanismen) • Bør kunne fortelle oss om utvidelser av standardmodellen, og dermed muligens om – Mørk materie – Forening av vekselvirkningene til en teori

Fire uavklarte spørsmål Normal text - click to edit • Hvorfor er gravitasjon så

Fire uavklarte spørsmål Normal text - click to edit • Hvorfor er gravitasjon så forskjellig fra de andre kreftene? – Gravitasjonsteorien omhandler selve rommet – De andre kreftene omhandler partikler som beveger seg i dette rommet • Hva er mørk energi? • Hvorfor har vi så lite antimaterie i universet • Hva består den mørke materien av

Normal text - click to edit Takk for meg

Normal text - click to edit Takk for meg