VERDENS STØRSTE MASKIN ER KLAR: Skal gjenskape Big Bang Maiken Pedersen 28 September 2010 Partikkelfysikk Å forstå Tid, Rom, Stoff og Energi Partikkelfysikk Å forstå Tid, Rom, Stoff og Energi

 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

 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

 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 Fra det aller største Til det aller minste

 For å forstå universet, må vi starte med de grunnleggende bestanddelene og blande de sammen til akkurat den riktige virkelighetsstuingen  Det vi har til rådighet er materie  Leptoner, kvarker  Krefter  Elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter  Gravitasjon  Dere skal få lære om disse ingrediensene, og hvordan vi tror alt henger sammen

 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  Så mange nye partikler var observert at behovet for å sette alt i system var enorm  Kvantefysikken og relativitetsteorien gjorde jobben!

 På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne nå matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom de Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler  Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og 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

 På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne nå matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom de Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler  Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og 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

 På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne nå matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom de Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler  Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og 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

 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

 All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner (lepton)  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!

 All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner (lepton)  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 Disse er ustabile - 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 + +

 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 masse ~ 100*proton masseløse masse ~ 100*proton

Er forholdet mellom kreftenes styrke alltid slik? - Nei, det kommer an på hvor du befinner deg! Er forholdet mellom kreftenes styrke alltid slik? - Nei, det kommer an på hvor du befinner deg! Gluoner Graviton ? Bosoner (W,Z) Foton  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  Er styrkeforholdet alltid likt?  Nei, det beror på hvor du befinner deg  Like etter Big Bang tror vi at alle naturkreftene var like sterke  ”Theory of Everything”  I LHC håper vi å se en lignende effekt  Forening av elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter  ”Grand Unification” De 4 naturkreftene bæres av kraftpartikler - bosoner

 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

Kvarker og gluoner... Å være fri i et fengsel. Kvarker og gluoner... Å være fri i et fengsel. Nobelprisen i fysikk 2004 Hvis en kvark kastes ut fra protonet i en høyenergi kollisjon, ser kvarken ut til å være fri en stund. Energien forvandles etter hvert til mange partikler – ”jets” - som kan påvises/observeres Et høyenergetisk elektron på kollisjonskurs med … … en kvark, bundet i et proton … en kvark, bundet i et proton Kvarkene har en ekstra egenskap i tillegg til ladning Farge Hver kvark finnes i 3 utgaver Rød blå og grønn

 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  ….

 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?

 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?  ……..

 Grand Unified Theory: forening av elektromagnetiske, sterke og svake kjernekrefter

 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

 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  Universet badet i et Higgs felt  Higgsfeltet :vakuum er ikke tomt!  Partikler får masse ved å bevege seg gjennom Higgs feltet

 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

 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

 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