Partikkelfysikk inn i det 21 århundre. Trenger vi en ny revolusjon? Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi

Disposisjon Kort om revolusjonen fra 1900-1930 Hvordan vårt nåværende syn ble til Ubesvarte spørsmål Link til astrofysikk og kosmologi Flere ubesvarte spørsmål

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?

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

Bohrs atommodell Atomer som mini solsystem, men tunge positive kjerner og kretsende elektroner Bare visse baner var tillatte Uakseptabel teori i lys av elektromagnetisme.

Den kvantemekaniske revolusjon Schrödinger energiligning. (Etot = Ekin+ Epot 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

Et heliumatom, elektronskyer, kjerneskyer. (figurer fra Wikipedia)

I 1932 er atommodellen godt etablert Tunge kjerner med nøytroner og protoner Elektroner i ”skyer” omkring, beskrevet etter kvantemekaniske prinsipper

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)

β-stråling dn/dE Emax 0,5-1 MeV E Kontinuerlig energispektrum, midlere E = 1/3 Emax Er energien bevart? Bare hvis en postulerer en ny partikkel, nøytrinoet.

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.

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

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”

Feynman diagrammer for å beskrive prosessene med vekselvirkningspartikler u W+ e+ νe u  d + e+ + νe d  u + e- + νe (elektro)svake krefter

Elektro- svak Kraft

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=e2/(2ε0hc) istedenfor ladning

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!

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?

UT I VERDENSROMMET! Mørk materie Universets ekspansjon Mørk energi

Mørk materie Definisjon: Materie som nesten bare føler gravitasjons- kraften. Ingen spor i form av synlig stråling

Galaktiske rotasjonskurver viser at Må enten modifisere Netowns gravitasjon eller innføre mørk materie i galaksenes ytterområder

Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum Rotasjonshastighet som funksjon av avstand til galaksens sentrum. A:uten mørk materie B:Observasjon

Dopplereffekt (rød/blå-forskyvning) (for “små” hastigheter)

Hubbles lov: v=H0d Objektene i universet fjerner seg fra oss med en hastighet som er proposjonal med avstanden. Proposjonalitets”konstant”: H0=(71±3) km/s/Mpc (1 pc = 3,26 lysår)

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

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

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)

Observasjoner passer med ΩM=Ωsynlig +Ωmørkmaterie=0,05+0,25 ΩΛ=0,7 (mørk, frastøtende energi!)

100 år med sort stråling Alle legemer avgir et strålespekter som bare avhenger av temperatur Plancks strålingslov:

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

Universets temperatur er (2,725 ±0,002)K !!!! Årets nobelpris for påvisning av små romlige forskjeller i spekter

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

Dette er en modell!

The Big Bang and its particles 13.7 milliarder år Kosmologi Astropartikkelfysikk Partikkelfysikk 1 ps Hvilke partikler? 10-34 s Big Bang

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?

ATLAS eksperimentet ved CERN

Bidrag fra Bergen Teste 2000 silisiumsdetektorer, og ca 300 ferdige moduler (6x12 cm2) Silisium-sensorer: Samme teknologi som lysfølsomme dioder Samme materiale som all mikroelektronikk

Fysikkarbeidsgrupper ved ATLAS Topp-kvark B-mesoner Standard-modellen Higgs Supersymmetri ”Exotics”

t-kvarken Eksistens etablert ca 1994 Eneste kvark som henfaller før den binder seg til en annen kvark. Ca 50000 ganger tyngre enn u og d kvarker Egenskaper (henfallsprodukt etc.) fortsatt dårlig kjent, og må studeres)

En partikkelkollisjon der et topp-antitopp par produseres. Merk: Antall kvarker produsert = antall antikvarker produsert

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

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

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

Supersymmetri, en partnerpartikkel til hver kjente vanlige partikkel

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.

Ladningenes styrke avhenger av energioverføringen i kollisjonene

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. 200-300 GeV Da skal denne kunne finnes ved LHC!!! SUSY og andre utvidelser forutsier en eller flere higgspartikler....

Det fins Higgs kandidater fra LEP-eksperimentene Men ikke bevis: SM-Higgs massen må være over 114 GeV.

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

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!

Simulert signatur for mini svart hull

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.

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

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

Takk for meg