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