Partikelfysik, astrofysik och kosmologi. • Universums minsta beståndsdelar • Växelverkningar • Några nya bevarade kvanttal • Hadroner, färgladdning • Big Bang: - Mikrovågsbakgrund - Universum expanderar - Kärninnehåll • Framtida forskning. Vad är det som vi inte vet? 5A1246, modern fysik, KTH Partikelfysik och Kosmologi Partikelfysik (Världen enligt standardmodellen) Materiepartiklar (spinn = ½ ): kvarkar och leptoner Leptoner Laddning massa νe e ingen < 3 eV/c2 νμ μ ingen < 0.19 MeV/c2 ντ τ ingen < 18.2 MeV/c2 -1 -1 -1 511 keV/c2 106 MeV/c2 1777 MeV/c2 leptontal Kvarkar Le = + 1 upp Le = + 1 ner Lμ = + 1 charm Lμ = + 1 sär Lτ = + 1 topp Lτ = + 1 botten u d c s t b M (GeV/c2) q Bygger upp atomer 1.5 - 4,5•10-3 +2/3 5 - 8,5•10-3 -1/3 1,0 - 1.4 +2/3 0.08 - 0.155 -1/3 174±5 +2/3 4,0 - 4,5 -1/3 Varje materiepartikel har en antipartikel med motsatt laddning 5A1246, modern fysik, KTH Antipartiklar Schrödinger-ekvationen kan härledas ur p2/2m + U = E med operatorer för p och E. Om vi relativistiskt utgår från E2=p2c2 + m2c4 (Klein-Gordon), får vi negativa energilösningar. Dirac föreslog en annan linjär ekvation, men med matriser. Även denna leder till negativa energilösningar. Dirac förklarade dessa som antipartiklar (1928). Dirac-ekvationen beskriver elektroner (och positroner). Positronen hittades av Anderson 1933. e+ e- skulle ha böjt åt detta håll Blyplatta. Avböjning efter energiförlust i blyplattan är kompatibel med ”elektron” Varje materiepartikel har en antipartikel 5A1246, modern fysik, KTH Växelverkan Förmedlas av utbytespartiklar Utbytespartikel Verkar på Typisk sönderfallstid ~1 Gluon g kvarkar 10-22 – 10-24 Elektromagnetisk ~10-3 Foton γ Laddade partiklar 10-16 – 10-21 Svag ~10-5 W± och Z0 Alla slags materiepartiklar 10-7 – 10-13 Gravitation ~10-38 Graviton ??? Växelverkan Relativ styrka Stark Egenskaper hos utbytespartiklarna: Fotonen: Gluonen: W± och Z0: masslös, spinn 1, oladdad masslös, spinn 1, (har färgladdning) har massa (W± : ≈ 86 protonmassor, Z0 ≈ 97 protonmassor), spinn 1, W har elektrisk laddning 5A1246, modern fysik, KTH Nya kvanttal och bevarandelagar. Experimentellt har observerats att vissa egenskaper bevaras. Dessa beskriver vi mha kvanttal. Antal kvarkar bevaras. (Vi räknar här antikvarkar som ett negativt antal) ⇒ baryontal B Varje kvark har baryontalet +1/3. I naturen förkommer bara kvarkkombinationer av typen qqq och kvark-antikvark (samt förstås tre antikvarkar). 3-kvarkskombinationen får då baryontalet B = +1 och kallas baryon. Baryontal bevaras alltid. (Detsamma som att antalet nukleoner i kärnreaktioner bevaras). Man har också noterat att lepton-familj alltid bevaras i växelverkan. ⇒ Leptontal Le, Lμ, Lτ Exempel: Protonen p består av tre (valens)kvarkar: uud (laddning : +1) Neutronen n består också av tre (valens)kvarkar: udd (laddning : 0) n → p + e - +νe u d d W- B = 1 både före och efter sönderfallet Le = 0 före resp +1 – 1=0 efter sönderfallet u d u eν 5A1246, modern fysik, KTH Feynmandiagram (endast kursivt. Kommer ej på tentan) Ofta trevligt att grafiskt kunna illustrera för att förstå reaktion. Detta görs mha Feynman-diagram. • partiklar ritas med pil framåt i tiden. • antipartiklar ritas med pil bakåt i tiden • i varje knutpunkt gäller bevarandelagar, så när som på att växelverkan kan ”förmedlas” av virtuella partiklar. Med virtuella partiklar avses att energins och rörelsemängden inte bevaras under kort tid i enlighet med Heisenbergs obestämbarhetsprincip ∆E∆t ≤ h/4π (≤ pga brott mot bevarandet) Exempel: e+e- spridning (Bhabha-spridning) e+ tid e+ tid e+ e+ Virtuell foton e- e- e- Virtuell foton Kommentar: Boken ritar tidsaxeln nedåt, dock inte konsekvent. De flesta partikelfysiker ritar axeln åt höger!!! e- Dock: Feynman-diagram är inte bara snygg grafik. Varje linje och knutpunkt motsvarar en matematisk term som sammantaget kan användas för att t.ex. beräkna reaktionstvärsnitt. 5A1246, modern fysik, KTH Baryoner och mesoner Exempel på mesoner: I naturen har bara observerats kombinationer av tre kvarkar (baryon, B =1), tre antikvarkar (B = -1) och kvark-antikvark (meson, B = 0). Särtal S anger antal anti-särkvarkar, bevaras inte vid W±-utbyte Symbol Kvarkinnehåll Laddning Massa (MeV/c2) π+ ud +1 139,6 0 π- ud -1 139,6 0 K+ us +1 493,7 0 K- su -1 493,7 0 K0 ds 0 497,7 0 K0 sd 0 497,7 0 5A1246, modern fysik, KTH Spinn Quantum Chromo Dynamics (QCD) Mysterium: varför följer spinn-3/2 partiklar som Ω- (sss) inte Pauliprincipen? Varför baryoner och mesoner? Kvarkar har ännu en egenskap (kvanttal): färgladdning Extra kvanttal där värdet för alla tre kvarkarna i Ω- är olika ⇒ Pauliprincipen räddad. Dessutom: Gluonen har färgladdning (egentligen färg+antifärg) Pga att gluonen är masslös (oändlig räckvidd) samt har färgladdning ökar styrkan hos den starka kraften på färgladdade objekt med avståndet så att på några fm avstånd kan bara färgneutrala objekt förekomma. Kärn”kraft” på kvark-gluon nivå Tre ”färger” ⇒ färgneutralt objekt, dvs baryoner Färg + sin antifärg ⇒ färgneutralt objekt, dvs mesoner Namnet färg används för att kombinationen av tre färger, blått+grönt+rött är färgneutralt, dvs vitt På korta avstånd (<< fm) är kvarkarna asymptotiskt fria ⇒Nobelpriset 2004 Randeffekt av färgkraften ger den starka kraft som med kort räckvidd håller samman atomkärnan n u d d g uu-annihilation u p u d u d u d u g p uu-parbildning d u d 5A1246, modern fysik, KTH n Hur kan man mäta? Kollidera partiklar vid lämplig energi Här m1 + m2 → M Därefter sönderfaller M M → m3 + m4 + m5 Eftersom energi och rörelsemängd bevaras samt att massa och energi är ekvivalenta (E=mc2) kan vi räkna oss fram 5A1246, modern fysik, KTH Kosmologi: Universums uppkomst. Big Bang. Stöds av experimentella data protoner neutroner kärnor ”Ursoppa” Alla krafter förenade Gravitation frikopplades Stark och elektrosvag kraft uppdelades kvark-gluon plasma atomer galaxer 5A1246, modern fysik, KTH Stöd för Big Bang-teorin Huvudsakligen tre experimentella stöd: • Mikrovågsbakgrunden. Efter 400 000 år, vid T =400 K, frikopplades den elektromagnetiska strålningen. Efter expansion under universums 13,7 Går motsvarar detta en sänkt temperatur förväntat kring några K. Denna mikrovågsbakgrund med T =2,7 K har observerats. • Universum expanderar. Galaxer långt bort från oss rör sig snabbare iväg än närliggande. • Förhållandet mellan protoner, neutroner och lätta kärnor stämmer med vad som förväntas efter big bang. 5A1246, modern fysik, KTH Mikrovågsbakgrunden 1965 tolkade Wilson och Penzias en svag bakgrundsignal som de fann i en mikrovågsantenn för kosmisk strålning som mikrovågsbakgrund. (⇒ Nobelpris 1978) Spektrum för strålningen har senare mätts av COBE-experimentet. Spektrum stämmer med T =2,7 K enligt Wien’s förskjutningslag. u (λ,T )dλ = ⎞ 8πhc ⎛ 1 ⎜⎜ ⎟⎟dλ 5 hc / λ k T B λ ⎝e −1⎠ 5A1246, modern fysik, KTH Mikrovågsbakgrunden (forts) Men temperaturen i mikrovågsbakgrunden varierar med riktningen!! Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Då strålning dominerade universum (T >3000K) borde snabbt utjämning ske pga termisk jämvikt. Inflation vid tiden 10-35 – 10-32 s. Områden hamnar utanför ljuskonens horisont. (Under inflationen rör sig regioner från varandra med hastighet högre än c. Hur är detta möjligt? Svar: vi vet inte! Det vi kan mäta stämmer dock med hypotesen att ”inflation” rådde.) Stämmer väl: bara en liten skillnad. Olika områden var i jämvikt före inflationen! 5A1246, modern fysik, KTH Universum expanderar Hastigheter kan mätas med Doppler-skift: λ´= λ 1+β = λ(1 + Z ) 1−β där Z = För små Z gäller Z ≈ β = v/c 1+β −1 1−β är rödskiftet. Avstånd kan mätas från den observerade ljusstyrkan hos stellära objekt. Hubble använde galaxer. Idag visat att supernovor (typ Ia) som skapas vid kollaps av stjärnor som blivit vita dvärgar ger en standardiserad ljuskälla (bestämd ljusstyrka). (Supernova Cosmology Project, med bl.a Ariel Goobar och hans grupp från SU.) Edwin Hubble mätte 1929 rödskift som funktion av avstånd: v = H0 r där H0 är Hubbles “konstant” H0 idag mätt till ca 23·10-6 km s-1ljusår-1 (Hubble fann ett mycket större värde) 5A1246, modern fysik, KTH Universum expanderar (forts) Egentligen beror alla parametrarna i Hubbles lag av tiden: v (t ) = H(t ) r(t ) Data från SCP visar att expansionen accelererar Bakåt i tiden 5A1246, modern fysik, KTH Nukleosyntes under big bang Under första ½-timmen skapades de lätta elementen. Förutsägelse från big-bang modellen: 75% av massan är protoner, 25% Helium Små mängder litium och beryllium skapas också. Stämmer med data!!” Alla kärnor med Z > 4 skapas i slutskedet av stjärnors liv! 5A1246, modern fysik, KTH Vad har vi kvar att besvara? Mörk materia Observerad rotationshastighet hos stjärnor som funktion av radie spiralgalaxer kan inte förklaras med ”disken” eller interstellär gas. Det måste finnas en ”halo”. ”Halon” vare sig sänder ut eller absorberar strålning ⇒ Mörk materia Ca 90% av universums materia utgörs av mörk materia !!!!! Kan utgöras av supersymmetriska partiklar Ur D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univ. Press Mörk energi Universum verkar att expandera allt snabbare. Bästa anpassning till data är om ca 30% av universums massdensitet utgörs av materia Ωm (inklusive mörk materia) och 70% av någon slags mörk energi ΩΛ motsvarande Einsteins kosmologiska konstant Λ. Denna massdensitet som andel av den massa som behövs att expansionen skall precis stanna av vid oändlig separation av galaxerna dvs då Ωm + ΩΛ = 1. (Detta verkar f.n. vara fallet) 5A1246, modern fysik, KTH Standardmodellen stämmer bra med det vi hittills har kunnat mäta. Men……. • Vi måste förklara begreppet massa (W± och Z0 hög massa, γ och g masslösa) ⇒ Higgs-mekanismen Ny partikel i modellen: Higgs-bosonen (H). Ännu ej funnen. Vid Large Hadron Collider @ CERN hittas H eller motbevisas modellen. LHC startar 2007. • Vi förväntar oss att alla krafter skall kunna beskrivas på en gemensam form. Kräver ny fysik! Supersymmetri: varje känd partíkel har en supersymmetrisk partner. Tung! (Egentligen en symmetri mellan fermioner och bosoner, varje fermion har en boson-partner och tvärtom) Strängteori: allt är egentligen strängar i minst 11 dimensioner, men alla utom 4 är ”hoprullade”. (Supersymmetri finns som ett lågenergetisk delmängd i strängteori) Mörka materien vet vi egentligen inget om trots att det är den dominerande materieformen i universum!! En möjlighet är den lättaste supersymmetriska partikeln, men vi vet inte ens om supersymmetri existerar!!! Energiinnehållet i universum domineras av en kosmologisk konstant som vi oftast kallar mörk energi. Vi har inte en susning om vad detta är!!! (Nåja, några vilda idéer finns: t.ex. gravitationell koppling i högre dimensioner) Dessutom: varför så många parametrar i modellen? (T.ex. partikelmassorna, kopplingsstyrkor mm) Två filosofier: • Symmetrier vid hög energi bestämmer varför vår värld ser ut som den gör. • Antroposofiska principen: Alla värden är möjliga, men i den värld där vi existerar har parametrarna de värden vi mäter. 5A1246, modern fysik, KTH Forskning vid KTH: ATLAS-experimentet vid CERNs Large Hadron Collider. Leta bl.a. efter supersymmetriska partiklar 5A1246, modern fysik, KTH Astropartikelfysik vid KTH: Bl.a. PAMELA Experimentet Studerar antimateria i kosmiska strålningen. (Kan komma från supersymmetri.) Resurs Dk1 Satellite 300 - 600 km 5A1246, modern fysik, KTH