Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Je svět složen ze strun? aneb cesta k jednotném popisu hmoty a interakcí “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Je svět složen ze strun? aneb cesta k jednotném popisu hmoty a interakcí “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony."— Transkript prezentace:

1 Je svět složen ze strun? aneb cesta k jednotném popisu hmoty a interakcí “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechny vyjádřením symetrie, a veškerá fyzika je v jistém smyslu hledáním symetrie.” T. Ferris: “Zpráva o stavu vesmíru” 1. Úvod 2. Co víme o hmotě? 2.1 Složení hmoty 2.2 Částice a interakce 2.3 Symetrie a jejich význam 2.4 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.5 Cesta k jednoduchosti - - sjednocení interakcí 3. Standardní model 3.1 Elektromagnetická interakce 3.2 Elektroslabá interakce 3.3 Kvantová chromodynamika 3.4 Obecná teorie relativity 4. Hurá za standardní model 4.1 Proč - experimentální a teoretické důvody 4.2 Od velkého sjednocení k supersymetrii 4.3 Strunové teorie 5. Závěr Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

2 Abstrakt

3 Úvod Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! Atomová hypotéza - konec 17. století, experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí Atomová teorie a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení 20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení 21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii) Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes experiment ALEPH v CERNu

4 Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr m)?

5 Částice a interakce Hmota je složena z částic, mezi kterými působí interakce Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ Virtuální částice - nelze je přímo pozorovat ale projevují se důsledky jejich existence Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stánou se reálnými naopak částice hmoty mohou být i virtuální - kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilace Dosah interakce závisí na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Heisenbergovu principu neurčitosti  časově omezené nezachování energie Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky:

6 Symetrie a jejich význam Symetrie - neměnnost některých vlastností při změně jiných Vzhled dvojhlavé karty se nemění při jejím otočení o 180 o Fyzika - fyzikální zákonitosti se nemění při jistých transformacích - vlastnosti fyzikálních objektů se nemění při jistých transformacích Prostoročasové transformace - posunutí v čase, posunutí v prostoru, otočení Vnitřní transformace - změna nábojů Neměnnost (invariance) vůči jisté změně (transformaci) Narušení symetrie - symetrie neplatí úplně, pro všechny zákonitosti, interakce... „Stejně jako v hudbě právě drobné disharmonie a narušení pravidelnosti vedou k dokonalosti“

7 O platnosti teorie rozhoduje experiment Hypotéza - návrh hlavních předpokladů popisu, zatím neověřeno experimentálně Teorie -soubor pravidel, který umožňuje kvantitativně přesně popsat experimentální data & Urychlovač (LHC v CERNu) Systém detektorů (experiment D0 ve Fermilabu) ! Zjednodušeně ! Vědecká hypotéza musí dávat vyvratitelné předpovědi, které se konfrontují s experimentem Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Neustálé průběžné experimentální testování všech teorií ! Zjednodušeně ! Věda hledá soubor pravidel pro popis světa (oblastí jejich platnosti)

8 Cesta k jednoduchosti - sjednocení popisu interakcí Síla interakce se mění s energií - při určité hodnotě se pro různé interakce vyrovnají Počátek - sjednocení popisu elektrických a magnetických jevů - Maxwelova teorie Hledání podobnosti různých interakcí Využití symetrií a narušení symetrií - budování příslušného matematického aparátu Další krok: sjednocení popisu slabých a elmg interakcí Mikrosvět - kvantové vlastnosti: vybudování kvantové elektrodynamiky Cíl - co nejjednoduššími pravidly a s co nejmenším počtem počátečních parametrů popsat hmotu a její chování Očekávané sjednocení popisu všech interakcí Základní pravidla budou jednoduchá - konkrétní popis složitějších systémů může být i velmi náročný dokonce i neřešitelný v konečném čase

9 Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice

10 Kvarkový model M. Gell-Mann - kvarky Hadrony složeny z kvarků (původně tři druhy, nyní šest): mezony - kvark a antikvark baryony - tři kvarky (patří k nim proton i neutron) (Gell-Mann či Zweig - epos a sláva či fraška a tragedie) 1) Objevem předpověděné částice 2) Vysvětlením vlastností hadronů 3) Rozptylem elektronů z vysokou energií na hadronech 4) Pozorováním výtrysků hadronů Částice interagující silnou interakcí - hadrony Nutnost zavedení nové fyzikální veličiny „barvy“ G. Zweig - esa Náboje kvarků: neceločíselné násobky jednotkového náboje Dekuplet s předpovídanou novou částicí Ω Kvarkový model vycházel z podobností - symetrií ve světě elementárních částic Kvarkový model byl plně potvrzen: Nepozorování volných kvarků se později vysvětlilo vlastností silných interakcí - asymptotickou volností

11 Elektromagnetická interakce - kvantová elektrodynamika Náboj - elektrický, může být + a - Zprostředkující částice - foton Magnetický moment elektronu: Experiment: (4) eħ/m p Výpočet: (110) eħ /m p Popis: Makrosvět - Maxwelovy rovnice Mikrosvět - kvantová elektrodynamika Slabá interakční konstanta α = 1/137  použití poruchového počtu Možnost velmi přesných výpočtů  jedny z nejpřesnějších předpovědí potvrzené experimentem: Feynmanův diagram rozptylu elektronů

12 Slabá interakce  elektroslabá interakce Nejslabší - zodpovědná za radioaktivní rozpady jader 1) Přeměna mezi jednotlivými druhy leptonů 2) Přeměna mezi jednotlivými druhy kvarků 3) Jediná interakce neutrin Zprostředkována výměnou W+, W- a Z bozonů Popsána jednotnou teorií elektroslabé interakce Rozpad neutronu Rozptyl neutrina na elektronu Potvrzena objevem neutrálních proudů a zprostředkujících bosonů - urychlovač SPS v CERNu Produkce a rozpad W bosonu v experimentu DELPHI na urychlovači LEP v CERNu:

13 Silná interakce - kvantová chromodynamika Váže kvarky do částic (hadronů) Interakce mezi barevnými náboji: tři druhy č + m + z zprostředkovaná osmi druhy gluonů Barevné náboje vytváří bezbarvé objekty Asymptotická volnost  nelze vytrhnout jeden samotný kvark z částice: Tvorba nových hadronů Ještě vyšší energie -  tvorba výtrysků Popis: kvantová chromodynamika Potvrzení: popis rozptylu částic při vysokých energiích, tvorby výtrysků

14 Otevřená otázka - odkud se bere hmotnost? Hierarchie hmotností kvarků a leptonů: Neznáme její původ ! Hmotnosti leptonů a kvarků by mohly být dány tzv. Higgsovým procesem Hmotnost - 1) setrvačná - míra setrvačnosti daného objektu 2) gravitační - náboj gravitační interakce (Podle současných pozorování shodné - základ OTR) 1) Klidová hmotnost Relativistická hmotnost (Hmotnost - velmi složitý filosofický i fyzikální pojem) Vztah mezi hmotností a energií (klidovou hmotností a klidovou energií) Poměr relativistické a klidové hmotnosti v závislosti na rychlosti tělesa 2) Vztah mezi energií, hybností a klidovou hmotností E 2 = p 2 c 2 + m 0 2 c 4 Dva pohledy (s použitím relativistické hmotnosti a bez): Hierarchie hmotností kvarků a leptonů

15 Odkud se bere hmotnost částic I - Higgsův mechanismus Peter Higgs objevil spontánní narušení symetrie Kalibrační symetrie - měřitelné veličiny se nezmění při změně popisující funkce o konstantu (případně stejný násobek) Napětí a další měřitelné elektrické veličiny se nezmění při změně potenciálu ve všech bodech o konstantu Kvantová elektrodynamika - měřitelné fyzikální veličiny se nemění při vynásobení popisující vlnová funkce speciální konstantou  platí kalibrační symetrie Lokální kalibrační symetrie - platnost při změně konstanty v prostoročase  zavedení „nehmotného“ kompenzujícího pole - fotonu Spontánní narušení lokální kalibrační symetrie  vznik nového „Higgsova“ pole (i částice) „Ztěžknutí“ některých částic při prodírání se Higgsovým polem Slabá interakce - narušení kalibrační symetrie  velká hmotnost bozonů W+, W- a Z Jak potvrdit platnost Higgsova mechanismu??  Najít Higgsovu částici !! Ztěžknutí i dalších částic

16 Odkud se bere hmotnost částic I -lov na Higgse Možný vznik Higgsovi částice na urychlovači LEP Případy, který může být vznikem a rozpadem Higgse Hledání Higgse na urychlovači LEP v CERNu e + + e -  H + Z Produkce Higgse současně se Z bosonem (hlavní příspěvek): Rozpad Higgse a Z bosonu: Dostupná energie až 209 GeV Většinou: M Z = 91 GeV  pro M H zbývá 118 GeV Pozorováno několik kandidátů Problém pozadí a nedostatečné statistiky  Higgs neprokázán

17 Odkud se bere hmotnost částic II - chirální symetrie Proč 64 kg a ne <1.4 kg? p = uud n = udd m u = MeV m d = MeV m p = 938 MeV m n = 940 MeV Proč je hmotnost nukleonů mnohem větší než hmotnost částí, ze kterých se skládají? Hmotnost nukleonu dána vlastnostmi silné interakce a symetriemi (jejich narušeními) s ní spojených Rozhodující úlohu by mělo hrát narušení chirální symetrie: Normální jaderná hmota: Horká a hustá hmota: Chirální symetrie narušena - velké hmotnosti částic Chirální symetrie se obnovuje - hmotnost částic klesá

18 Změna hmotností a dob života vektorových mezonů v husté a horké jaderné hmotě mezon ρ: P(e + e - ) = , m = 770 MeV, τ = 1 fm/c HADES - detekce e + e - párů určení invariantní hmotnosti vektorového mezonu Využití detekce Čerenkovova záření:

19 Gravitace - obecná teorie relativity Hledání kvantové podoby teorie gravitace: Vypařování černých děr - vyváření párů částice a antičástice v blízkosti horizontu jeho rychlost nepřímo úměrné hmotnosti Gravitační interakce je nejslabší ale působí na velké vzdálenosti a je pouze přitažlivá (má pouze jeden typ náboje) Vyrovnání gravitační síly s ostatními při vysokých energiích GeV, na malých rozměrech m - Planckův rozměr Zavádění pojmu entropie, teploty a dalších termodynamických veličin do popisu černých děr Zakřivení prostoru v okolí rotující černé díry Jedna z předpokládaných černých děr (NASA) S. Hawking S. Hawking hraje poker s I. Newtonem, A. Ein- steinem a Datem v jednom z dílů seriálu Star Treck

20 Proč jít dále? - experimentální a teoretické důvody Teoretické důvody: 1) Příliš mnoho volných parametrů ve standardním modelu 2) Nutnost zahrnout i gravitaci - kvantová teorie gravitace 3) Pozorované podobnosti, symetrie (např. mezi rodinami kvarků a leptonů) 4) Hierarchie hmotností u částic 5) Nutnost odstranění divergencí (nekonečných hodnot fyzikálních veličin) Experimentální důvody: 1) Pozorování asymetrie v existenci hmoty a antihmoty 2) Velmi přesná měření magnetického momentu mionu 3) Pozorování oscilací neutrin 4) Existence nebaryonové temné hmoty ve vesmíru 5) Sbližování síly různých interakcí s rostoucí energií 6) Náznaky rozdílů oproti Standardnímu modelu u některých vysokoenergetických experimentů ( nezachování CP invariance, produkce b částic …) Detektor Superkamiokande

21 Od velkého sjednocení k supersymetrii !!!! Varování !!! vše dále zatím jen hypotézy !!! 1) Symetrie mezi rodinami kvarků a leptonu  sjednocení kvarků a leptonů do jedné rodiny 2) Vyrovnání síly elektroslabé a a silné interakce při GeV  sjednocení těchto interakcí Velké sjednocení: Důsledky a předpovědi: 1) Existence „leptokvarků“ X a Y - přeměňují kvarky na leptony, M XY ~ GeV/c 2, Q X = -4/3e a Q Y = -1/3e 2) Rozpad protonu - experiment τ p > 5  let 3) Baryonová asymetrie vesmíru - převaha hmoty nad antihmotou Rozpad protonu hledal i detektor Kamiokande Příklad rozpadu protonu p = uud  e

22 Supersymetrie Hledání supersymetrických částic - jeden z hlavních programů největších existujících i plánovaných urychlovačů Hledání symetrií, které umožňují transformaci bosonů na fermiony  supersymetrie Důsledky a předpovědi: Supersymetrické částice budou hledat i experimenty na budovaném urychlovači LHC v CERNu Hlavním je existence supersymetrických partnerů známých částic: Boson má partnera fermion, fermion pak boson foton  fotino kvark  s - kvark gluon  gluino lepton  s - lepton Z  Zino graviton  gravitino Supersymetrické částice jsou vhodnými kandidáty na vysvětlení temné hmoty ve vesmíru - neutralino (směs fotina, gluina,..) - nejmenší hmotnost Jejich vlastnosti by umožnily vybrat správnou supersymetrickou teorii

23 Strunové teorie Strunová teorie - částice nejsou bodové, ale tvoří je struny o rozměru m Nutnost zavedení šesti dalších rozměrů: 1) Další rozměry jsou velmi malé - svinuté 2) Některé možná velké až nekonečné  náš svět - čtyřrozměrná brána ve vícerozměrném prostoru Jednotlivé částice jsou různé módy kmitů struny čím vyšší kmitočet  tím vyšší hmotnost Otevřená strunaUzavřená struna Další rozměry jsou svinuté Strunový Feynmanův diagram Do dalších rozměrů by pronikala pouze gravitace Povolené kmitočty dány délkou struny

24 Struny -2 Všech šest známých superstrunových teorií jsou limitními případy jedné mateřské teorie M-teorie Brian Green Momentální závěr hledání vhodné varianty strunové teorie: Strunová teorie musí: 1) Jako limitní případ obsahovat standardní model a obecnou teorii relativity  stejně dobře popsat známá data 2) Musí vysvětlit pozorování, která předchozí teorie vysvětlit nedokáže 3) Předpovědět nové jevy a nabídnout je k experimentálnímu testování Obrovským problémem je příslušný matematický aparát a kvantitativní testovatelné předpovědi

25 Experimentální test strunové hypotézy Vznik mikročerných děr během srážek při vysokých energiích Možnost pocítit další rozměry: 1) zkoumání gravitační síly na velmi malé rozměry 2) srážky částic při velmi vysokých energiích Vesmírná pozorování: 1) Potvrzení rozpadu protonu a určení jeho poločasu a kanálů 2) Nalezení supersymetrických partnerů a určení jejich vlastností 3) Velikost nezachování CP symetrie a baryonového čísla 1) Účinky gravitace z jiných bran 2) Únik gravitační energie do dal- ších rozměrů  zdánlivé narušení zákona zachování energie 3) Vlastnosti černých děr - jejich vypařování... Potvrzení teorií velkého sjednocení a supersymetrických teorií: Potvrzení strunových teorií: Únik gravitační energie Účinky gravitace velmi hmotných objektů ze sousedních bran Pozemské laboratoře:

26 Závěr 1) Stavba hmoty je hierarchická, skládá se s částic, mezi kterými působí čtyři druhy interakcí, zprostředkovanou výměnou částic 2) Tato stavba je popsána „standardním modelem“, potvrzeným velkým množstvím experimentálních pozorování. 4) Jsou dobré důvody teoretické i experimentální jít za standardní model. 3) Jsou dobré důvody pro předpoklad, že strunová „hypotéza“ je správnou cestou k jednotnému popisu hmoty a interakcí. 4) Zda-li je tomu opravdu tak, rozhodne experimentální pozorování. 5) Příslušné experimenty využijí: A) Velmi citlivé a velké detektory (rozpad protonu, oscilace neutrin, hledání částic tvořících temnou hmotu …) B) Velmi výkonné urychlovače (LHC …) C) Různé druhy vesmírných pozorování (černých děr, kosmologie, …) 6) Velmi důležité je hledání matematického aparátu, který umožní přesné kvantitativní předpovědi.

27 Nabídka témat přednášek 1) Jaderné zdroje pro vesmírné sondy aneb jak získat energii tam kde Slunce nesvítí 2) Nejmohutnější exploze ve Vesmíru? aneb jaký je původ gama záblesků 3) Kosmické záření - co to je, jak se zkoumá a odkud pochází 4) Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty 5) Jak přežít v kosmu se zářením - jak ochránit kosmonauty při dlouhodobých letech 6) Putování světem urychlovačů aneb kde se získávají stále nové částice 7) Urychlovačem řízené transmutace aneb budeme jaderný odpad spalovat? hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/


Stáhnout ppt "Je svět složen ze strun? aneb cesta k jednotném popisu hmoty a interakcí “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony."

Podobné prezentace


Reklamy Google