Den Inre och Yttre Rymden
Från Kvarkar till Kosmos – vt 2010
Jens Fjelstad
2010–02–01
1 / 18
Den Inre Rymden
Längdskalor i potenser av 10
2 / 18
100 = 1
101 = 10
102 = 100
103 = 1000
...
10−1 = 0,1
10−2 = 0,01
10−3 = 0,001
...
Materian Mikroskopiskt
Skala ∼ 10−10 m: atomer
3 / 18
“synliga” i mikroskop
Atomstruktur
1 fm
Inre struktur:
elektroner (negativt laddade)
kärna (positivt laddad)
1 Ångström (=100,000 fm)
Kärnan ∼ 10−14 m
Atomen hålls samman av elektromagnetisk kraft
Klassisk fysik ej giltig, kräver kvantmekanik
4 / 18
Atomkärnan
Kärnan uppbyggd av
protoner (positivt laddade)
neutroner (ingen elektrisk laddning)
Kraften som håller samman kärnan kallas den starka kraften
verkar bara på mycket små avstånd (∼ 10−14 m)
mycket starkare än elektromagnetism
Varje grundämne har visst antal protoner i kärnan
Protoner & neutroner uppbyggda av kvarkar
5 / 18
Atomstrukturen
6 / 18
Kvarkar och Hadroner
“Partikel Zoo” i experiment ∼1955–1970
de flesta känner av den starka kraften: Hadroner
kvarkmodellen för hadroner (Gell-Mann, Zweig, Nee’man,
Glashow, ...)
6 st kvarkar: upp, ned, sär (“strange”), charm, topp, botten
Protoner & neutroner uppbyggda av två typer av kvarkar
7 / 18
proton: 1 nedkvark, två uppkvarkar
neutron: 1 uppkvark, 2 nedkvarkar
Ingrediens 1: Speciell Relativitetsteori
E = mc 2
partikelkollissioner med hög energi: nya partiklar kan bildas
1. kosmisk strålning (1933–)
2. partikelacceleratorer (∼ 1950–)
8 / 18
Ingrediens 2: Symmetrier
Organiserande princip
kvarkmodellen: härstammar från hypotesen att observerade
partiklar uppvisar särskild typ av symmetri
kinematiska symmetrier: speciell relativitetsteori (Lorentz
symmetri)
symmetribegreppet centralt i fysik
9 / 18
ställer starka villkor på teorier
symmetribrott bakom viktiga fenomen
Standardmodellen
Leptoner: elektron, elektronneutrino; myon, myonneutrino; tau,
tauneutrino
Kvarkar: upp, ned; sär, charm; topp, botten
Kraftöverförande partiklar: foton, W ± -bosoner, Z 0 –boson, 8 st.
gluoner
Higgsbosonen: (ännu ej upptäckt) ger upphov till vissa
partiklars massor
10 / 18
Läget Idag
Standardmodellen väletablerad
Innehåller all observerad fysik
Higgsbosonen ej observerad
Det måste finnas fysik bortom standardmodellen
Large Hadron Collider (LHC) i CERN beräknas köra igång
under februari 2010, och nå användbara energier under våren!!
11 / 18
Higgs??
Supersymmetri??
???
Den Yttre Rymden – Vår Omedelbara Omgivning
Solen: mellanstor stjärna m ∼ 1030 kg
Vårt solsystem
12 / 18
jorden ∼ 1011 m från solen
Pluto ∼ 1012 m från solen
mest avlägsna kroppar bundna till bana kring solen ∼ 1 ljusår
∼
= 1016 m
Solsystemets Omgivning
närmaste stjärna (bortsett från solen): Proxima Centauri ∼4
ljusår
avstånd till vintergatans centrum ∼ 30000 ljusår
13 / 18
Vintergatan
Spiralgalax ∼100000 ljusår “stor”
∼ 100 miljarder stjärnor
Gasmoln
“Damm” (fåtal molekyler – 0.1mm)
Mörk materia
Supermassivt svart hål i centrum
14 / 18
Vintergatans Omgivning
I periferin av en galaxhop av ∼ 1000 galaxer (Virgo cluster)
Del av en “superhop” (hop av hopar)
15 / 18
Storskaliga Universum
Kända (“kännbara”) universum: ∼ 15 miljarder ljusår ∼ 1026 m
∼ 100 miljarder galaxer
Materian hopklumpad i storskaliga strukturer
16 / 18
Inre och Yttre Rymden Konvergerar
Simultan Relevans
Instrumentellt
kärnfysik ↔ hur stjärnor brinner (Fusion)
experiment ämnat att undersöka protonens livstid upptäckte 1987
en supernova
men framförallt...
17 / 18
Strukturbildning
Universums storskaliga struktur: även reflekterad i den
kosmiska bakgrundsstrålningen
Med största sannolikhet en direkt konsekvens av fysiken hos de
minsta beståndsdelarna då universum var mycket ungt
För att förstå universums utveckling måste vi förstå fysiken för
de minsta byggstenarna!
18 / 18
