Partikkelfysikk Å forstå Tid, Rom, Stoff og Energi Maiken Pedersen

Presentasjon om: "Partikkelfysikk Å forstå Tid, Rom, Stoff og Energi Maiken Pedersen"— Utskrift av presentasjonen:

1 Partikkelfysikk Å forstå Tid, Rom, Stoff og Energi Maiken Pedersen
15 mars 2011

2 Vi skal lære Om partikkelfysikk, hvordan vi kan forstå universet basert på helt fundamentale byggestener Hva CERN er, hva vi gjør der, og hvorfor Med denne nye kunnskapen skal dere gjøre det vi gjør Analysere data fra LHC kollisjonene og måle en grunnleggende egenskap ved en partikkel vi kaller Z bosonet Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

3 Fakta om CERN Ligger på grensen mellom Sveits og Frankrike
Verdens største forskningssenter 8000 forskere, 55 land, 80 nasjonaliteter Huser verdens største partikkelakselerator 27 km i omkrets, 100 meter under bakken Kolliderer protoner ved energier aldri tidligere oppnådd Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

4 Hva gjør vi på CERN? Forsker på elementærpartikler
universets absolutt minste bestanddeler Prøver å beskrive det aller største , universet ,og hvorfor det ser ut som det gjør ved å se på det aller minste Det vil si, prøver å svare på grunnleggende spørsmål Hvem er vi Hvor kommer vi fra Hvor skal vi Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig Fra det aller største Til det aller minste

5 Ut ifra universets byggestener prøver vi å forstå hvordan alt henger sammen – vi må blande universets ingredienser til akkurat den riktige ”virkelighetsstuingen” Det vi har til rådighet er materie Leptoner, kvarker Krefter Elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter Gravitasjon

6 Vår forståelse av virkeligheten er i stadig endring
På begynnelsen av 1900-tallet : Trodde verden var forstått Atomer var materiens byggestener Newtons fysikk kunne beskrive bevegelse En håndfull ”elementærpartikler” kunne beskrive verden Elektronet,protonet og fotonet Vitenskapsmenn trodde stort sett ikke det var noen flere problemer å løse De tok grundig feil!

7 Moderne fysikk: Spesiell relativitetsteori og kvantefysikk
I løpet av 1900 tallet kom kvantefysikken og relativitetsteorien I tillegg ble en hel rekke nye partikler oppdaget Først ved kosmiske observasjoner Deretter i nye partikkelakseleratorer Ved hjelp av de nye teoriene kunne vi sette de nyoppdagede partiklene i system

8 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell
På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Krefter og kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet I tillegg har hver partikkel et speilbilde – en antipartikkel Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

9 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell
På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Krefter og kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet I tillegg har hver partikkel et speilbilde – en antipartikkel Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

10 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell
På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Krefter og kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet I tillegg har hver partikkel et speilbilde – en antipartikkel Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

11 Materiepartiklene All vanlig materie består av
Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Denne sekvensen bør kanskje lages litt mer interessant?

12 Materiepartiklene All vanlig materie består av
Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet sørger for at en type materie kan forvandles til en annen Nøytrinoet er ansvarlig for at sola brenner!

13 Materiepartiklene All vanlig materie består av
Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet sørger for at en type materie kan forvandles til en annen I tillegg eksisterer tyngre varianter av kvarkene og leptonene Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag Disse er ustabile (bortsett fra nøytrinoene) - de går raskt over til en annen lettere partikkeltype – de ”henfaller” Fantes like etter Big Bang – i dag sees de bare i kosmisk stråling og i partikkelakseleratorer

14 Kraftpartiklene 100*proton
Noen av kraftpartiklene er også ustabile og henfaller Z og W (massive) er ustabile, fotonet og gluonet (masseløse) er stabile De henfaller til lettere materiepartikler Dere skal undersøke hvordan Z bosonet henfaller masseløse masseløse masse ~ 100*proton masse ~ 100*proton Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag

15 De 4 naturkreftene bæres av kraftpartikler - bosoner
Er forholdet mellom kreftenes styrke alltid slik? - Nei, det kommer an på hvor du befinner deg! 10-6 10-2 8 Gluoner Graviton? Bosoner (W,Z) Foton 1 10-39 Endring av styrkeforholdet ville gitt en helt annen verden For eksempel ville ikke protoner kunne eksistert dersom den sterke kjernekraften var svakere enn det elektromagnetiske Kan alle naturkreftene forenes til én “superkraft”?

16 Observasjon av elementærpartikler
Av alle elementærpartiklene er det bare 3 som kan observeres direkte Elektronet Muonet Fotonet Resten er enten Så tunge at de henfaller med en gang vi rekker ikke å observere de Eller kan ikke eksistere i naturen alene kvarkene De eksisterer i naturen i form av hadroner protoner, nøytroner  Disse kan vi observere! Eller er usynlige for oss nøytrinoer

17 Et høyenergetisk elektron på kollisjonskurs med …
Kvarkene er litt spesielle Kraften mellom to kvarker bundet sammen blir sterkere og sterkere jo lengre fra hverandre de blir tvunget Hvis en kvark kastes ut fra protonet i en høyenergi kollisjon, ser kvarken ut til å være fri en stund Et høyenergetisk elektron på kollisjonskurs med … … en kvark, bundet i et proton Forklarer her hvorfor kvarkene ikke kan observeres direkte Energien forvandles etter hvert til mange partikler – ”jets” som vi kan påvises/observeres i detektoren

18 Standardmodellen måtte bekreftes med observasjoner
På tidlig 70-tallet hadde man bare funnet en håndfull av partiklene Standardmodellen måtte bevises ved å observere alle de forutsagte partiklene Elektron-neutrinoet (1956  Nobel pris 1995) Muon-neutrinoet (1962  Nobel pris 1998) Charm kvarken ( Nobel pris 1976) Tau-leptonet ( Nobel pris 1995) Bottom kvarken (1977 ) Gluonet (1979 ) Z, W (1983  Nobel pris 1984) Top kvarken (1995) Tau-neutrinoet (2000) Alle materie og kraftpartiklene observert ( men vi mangler forstsatt en viktig brikke: ….. har dere hørt om Higgs bosonet?) Standardmodellen en stor suksess!!! Er det noen nobelpriser for oppdagelse jeg har glemt?

19 Partikkelfysikk har hatt enorm påvirkning på vårt samfunn
Standardmodellen Den mest presise teorien som noen gang har eksistert Har forutsagt en rekke partikler som siden har blitt eksperimentelt bevist Forklarer hvorfor sola brenner Vårt moderne liv ville vært utenkelig uten SM (eller kvantefeltteori) Lasere Stråleterapi Din iPod ….

20 Ser ut som vi forstår verden temmelig godt
Vi kan stort sett forklare hvordan universet henger sammen ved hjelp av en håndfull partikler og krefter Er det noe mer å lure på da? Denne vil jeg kanskje endre litt på, kanskje kombinere med forrige slide?

21 Uløste mysterier Vi observerer og måler at noen partikler har masse, og andre ikke Hvorfor er det slik? Hvorfor kan vi ikke inkludere gravitasjonskraften i partikkelfysikk teorien vår? Hvorfor er gravitasjonen så mye svakere enn alle de andre kreftene? Hvorfor finnes det mer enn en kraft, og hvorfor har de forskjellig styrke? Vi kjenner bare 4 % av universets bestanddel (!!!) Resten er mørk materie og mørk energi Hva er dette, og hvorfor har vi ikke observert det? Hvorfor eksisterer vi i det hele tatt når vi vet at partikler og antipartikler annihilerer, og at vi må anta at ved Big Bang var det like mye av begge deler? ……..

22 Vi må se utover Standardmodellen
Standardmodellen er ikke feil, men den er ikke komplett Smarte fysikere har kommet opp med en rekke ideer på hvordan man kan komplimentere standardmodellen Slike nye ideer, eller teorier er spesielt interessante dersom de forutsier nye partikler som vi kan observere i et partikkelfysikk-eksperiment - nettopp som ATLAS ved LHC

23 Vi må se utover Standardmodellen
En ny partikkel som kan gi oss et hint om verden følger lovmessigheter utover Standmodellen er en partikkel vi kaller Z´ - altså Zmerket (på engelsk: Zprime) Z´ har fått dette navnet fordi partikkelen ligner på Z bosonet, men er mye tyngre

24 Hva er Z´ god for? Dersom en partikkel som Z´ eksisterer er den et bevis på et helt ny type vekselvirkning mellom partikler, og dermed også en helt ny type kraft! Z´ dukker for eksempel opp i en teori som løser nesten alle problemene i dagens Standardmodel (!!) Men da er verden ganske annerledes enn det vi til nå har trodd: Vi må da leve i en 10 dimensjonal verden hvor all materie er bygget opp av såkalte superstrenger Alle de 4 kreftene vi kjenner : gravitasjon, elektromagnetisme, og de svake og sterke kjernekrefter er forent i en eneste superkraft Hvordan kan det ha seg at vi ikke ser denne superkraften i vår hverdag? Superkraften eksisterer bare ved veldig veldig høye energier, som ved Big Bang

25 Dersom vi leter etter nye partikler – hvordan vet vi at de er nye?
Ganske enkelt prinsipp: Vi må kjenne egenskapene til partiklene vi allerede vet eksisterer Dersom vi observere en partikkel som ikke passer inn har vi oppdaget noe nytt! Hva er en partikkels egenskaper? Masse Elektrisk ladning … I dag skal dere lære hvordan dere finner det ”vanlige” Z bosonet i partikkelkollisjoner Jakten på Z´ er helt identisk!

26 Hva har du lært i denne forelesningen?
At universet kan forklares ut fra en rekke elementærpartikler og krefter som virker mellom de At all vanlig materie er bygget opp av opp og ned kvarker og elektroner At ved høyenergiske kollisjoner enten fra kosmisk stråling, eller i partikkeleksperimenter kan vi gjenskape partikler som fantes like etter Big Bang At tunge partikler raskt henfaller til lettere partikler Som for eksempel Z bosonet som kan henfalle til blant annet et elektron-antielektron par eller et muon-antimuon par At partikkelfysikken har gitt oss den moderne verden vi lever i At det fortsatt er mange uløste spørsmål igjen å svare på Det er med andre ord jobb igjen til dere!!

27 Denne maskinen kan gi oss svaret

28 Higgs feltet er et skalarfelt
Betyr at feltet ikke har retning, at i hvert punkt i rommet har feltet kun en verdi Elektromagnetisk og gravitasjonsfeltet har retning Higgsfeltet er ikke en egen kraft som elektromagnetisme eller sterke kjernekrefter Higgsfeltet kommer inn som en ”forstyrrelse” av vakum, og skaper et symmetribrudd Den opprinnelige symmetrien består i at alle partiklene er masseløse Higgs feltet bryter denne symmetrien og gir masse til noen partikler (for eksempel Z, W, kvarker og leptoner) mens den lar andre partikler forbli masseløse (f eks gluonet, fotonet) Symmetribrudd i vår makroskopiske verden Superkonduktivitet

29 Vi skal se på ett av mysteriene: masse
Higgs bosonet er eneste partikkelen i Standard modellen som ikke er observert Hvorfor så viktig? Modellen er basert på denne partikkelen Uten Higgs feltet ville alle partiklene vi observer være masseløse, men vi kan måle at de har masse, og da må teorien vår kunne beskrive dette

30 Higgs feltet Universet badet i et Higgs felt
Higgsfeltet :vakuum er ikke tomt! Partikler får masse ved å bevege seg gjennom Higgs feltet Higgs feltets ”ladning” er masse Jo mer en partikkel merker Higgs feltet, jo tyngre er det Masseløse partikler merker ikke Higgs feltet SM kan beskrive dette matematisk

31 Higgs bosonet Hvert felt har en partikkel knyttet til seg På tilsvarende måte som fotonet er knyttet til elektromagnetisme er Higgs bosonet knyttet til Higgs feltet Men Higgs feltet er ikke en egen kraft Hvorfor har vi ikke oppdaget Higgs bosonet, slik vi har oppdaget fotonet, gluonet og Z og W bosonet? Vår forklaring er at den må være tyngre enn energien tidligere eksperimenter har oppnådd SM har vært så presis at det blir en overraskelse hvis vi ikke finner Higgs bosonet Dette kan enten bety at Higgs bosonet ikke finnes  Da må vi finne en annen forklaring!! Eller at den er ”umulig” å finne

32 Utover Standardmodellen
Standard Modellen fungerer veldig godt på de energiskalaene vi foreløpig har hatt til rådighet, slik som Newtons lover fungerer veldig godt til å beskrive planeters bane, men ikke hva som skjer i en partikkelkollisjon Når vi går til enda høyere energier, eller ønsker å kikke enda lenger tilbake i tid (nær Big Bang) strekker ikke Standard Modellen til Vi må utvide Standard Modellen Kanskje Supersymmetri kan løse mørk-materie problemet? Kan vi forene den sterke kjernekraften med elektrosvak kraft? Kan vi forene gravitasjon og de andre kreftene til en kraft LHC er bygget for å oppdage nye fenomener, vi søker etter helt ukjente ting, hva vi finner vet vi enda ikke men naturen er fasiten