Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

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

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Normal text - click to edit Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi en ny revolusjon? Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi."— Utskrift av presentasjonen:

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

2 Normal text - click to edit Disposisjon Kort om revolusjonen fra Hvordan vårt nåværende syn ble til Ubesvarte spørsmål Link til astrofysikk og kosmologi Flere ubesvarte spørsmål

3 Normal text - click to edit Hva er verdens byggestener og hvordan virker byggestenene på hverandre? 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?

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

5 Normal text - click to edit Bohrs atommodell Atomer som mini solsystem, men tunge positive kjerner og kretsende elektroner Bare visse baner var tillatte Uakseptabel teori i lys av elektromagnetisme.

6 Normal text - click to edit Den kvantemekaniske revolusjon Schrödinger energiligning. –(E tot = E kin + E pot 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

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

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

9 Normal text - click to edit Hvor lenge var Adam i paradis? 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)

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

11 Normal text - click to edit Moderne partikkelfysikk 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.

12 Normal text - click to edit

13 CERN, Geneve: Senter for partikkelfysikk, 27 km lang sirkulær akselerator. LEP, Large electron positron ring, inntil 2000 LHC, Large hadron Collider, fra 2007!

14 Normal text - click to edit

15

16

17

18 Ikke frie kvarker, men Baryoner, som består av tre kvarker Mesoner, som består av en kvark og en antikvark. Leptoner, som elektronet, som er en ”punktpartikkel”

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

20 Normal text - click to edit Elektro- svak Kraft

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

22 Normal text - click to edit Standardmodellen (SM) oppsummert 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!

23 Normal text - click to edit Ubesvarte spørsmål 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?

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

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

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

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

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

29 Normal text - click to edit Hubbles lov: v=H 0 d 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)

30 Normal text - click to edit Supernovaer og avstand 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 = kL/r²

31 Normal text - click to edit Det fins nå noen observasjoner med z godt over 1 (v.h.a. Hubble space telescope) m = størrelsesklasse Høy m betyr svakt lys (som betyr stor avstand) Rødskift (hastighet)

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

33 Normal text - click to edit Observasjoner passer med Ω M =Ω synlig +Ω mørkmaterie =0,05+0,25 Ω Λ =0,7 (mørk, frastøtende energi!)

34 Normal text - click to edit 100 år med sort stråling Alle legemer avgir et strålespekter som bare avhenger av temperatur Plancks strålingslov:

35 Normal text - click to edit Plancks strålingslov Utledet for 100 år siden ved å anta diskrete energitilstander for fotonene –Viktig brikke under utviklingen av kvantemekanikken Nå: Viktig som bevis for å underbygge teorien om Big Bang

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

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

38 Normal text - click to edit

39 Dette er en modell!

40 Normal text - click to edit The Big Bang and its particles Big Bang Hvilke partikler? Partikkelfysikk Astropartikkelfysikk Kosmologi 13.7 milliarder år 1 ps s

41 Normal text - click to edit Utfordringer for partikkelfysikken 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?

42 Normal text - click to edit ATLAS eksperimentet ved CERN

43 Normal text - click to edit Bidrag fra Bergen Teste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6x12 cm 2 ) Silisium-sensorer: Samme teknologi som lysfølsomme dioder Samme materiale som all mikroelektronikk

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

45 Normal text - click to edit t-kvarken Eksistens etablert ca 1994 Eneste kvark som henfaller før den binder seg til en annen kvark. Ca ganger tyngre enn u og d kvarker Egenskaper (henfallsprodukt etc.) fortsatt dårlig kjent, og må studeres)

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

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

48 Normal text - click to edit Standardmodell (SM)-fysikk 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

49 Normal text - click to edit SUPERSYMMETRI (SUSY) 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

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

51 Normal text - click to edit SUSY (forts) 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 GeV (fra eksperimenter) –Bør finne signaler for dette ved LHC, hvis SUSY finnes.

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

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

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

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

56 Normal text - click to edit Eksotiske fenomener 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 masse- energitetthet at dette kollapser i et svart hull? –NB: I så fall er det svarte hullet meget kortlivet!

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

58 Normal text - click to edit Oppsummert Vi har en vel etablert teori for hvordan 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.

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

60 Normal text - click to edit Fire uavklarte spørsmål 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

61 Normal text - click to edit Takk for meg


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

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google