Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Proč drží vesmír pohromadě? Michael Prouza 17. prosince 2003 Standardní model částicové fyziky a ještě trocha navíc...

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Proč drží vesmír pohromadě? Michael Prouza 17. prosince 2003 Standardní model částicové fyziky a ještě trocha navíc..."— Transkript prezentace:

1 Proč drží vesmír pohromadě? Michael Prouza 17. prosince 2003 Standardní model částicové fyziky a ještě trocha navíc...

2 Proč drží ves- mír pohromadě? Pohled dovnitř  částicová fyzika Pohled ven  astrofyzika (kosmologie) Kvantová teorie  Standardní model... Teorie velkého sjednocení, supersymetrie, superstruny... mír pohromadě? Obecná teorie relativity…  je klasickým základem Velký třesk, reliktní záření, temná hmota a temná energie,...

3 Co je standardní model? Standardní model mikrosvěta je ucelenou formou souhrnu našich poznatků o fundamentálních částicích a fundamentálních interakcích, vyjma gravitace. Konkrétně popisuje chování 6 leptonů a 6 kvarků pod vlivem elektromagnetické, slabé a silné interakce, resp. intermediálních částic (fotony, W a Z bosony, gluony). Zahrnuje více jednotlivých teorií - zejména teorii elektroslabých interakcí a QCD (kvantovou chromodynamiku), teorii silné interakce. Poprvé jej takto představil John Iliopoulos roku 1974.

4 Rekapitulace historických milníků 1900 M. Planck přichází s představou kvantování E. Rutheford navrhuje existenci atomového jádra Diracova relativistická kvantová teorie elektronu W. Pauli navrhuje existenci neutrina H. Yukawa navrhuje teorii jaderných interakcí zprostředkovanou výměnou pionu Počátek „populační exploze“ částic Objeveno neutrino M. Gell-Mann a G. Zweig přicházejí s ideou kvarků A. Salam a S. Weinberg představují teorii elektroslabých interakcí H. Fritsch a opět M. Gell-Mann přicházejí s QCD teorií M. Perl objevuje šestý lepton - tau V CERNu objeveny intermediální bosony W a Z Experimenty v CERN potvrzena existence tří generací neutrin Objeven top kvark Ve Fermilabu potvrzena existence  neutrina. Všechny částice SM konečně nalezeny.

5 Historická rekapitulace II

6 Fundamentální částice Běžné částice, jako proton, neutron či elektron, patří či jsou složeny z fundamentálních částic první generace hmoty. Částice vyšších generací se projevují jen v procesech s velmi vysokými energiemi, např. v raném vesmíru. Jsou generace hmoty vskutku jen tři? Z měření se zdá, že ano, teoreticky - v rámci standardního modelu - odpověď neznáme.

7 Kvarky Kvarky jsou kromě elektrického náboje též nositeli náboje silné interakce, tzv. barvy. Každý kvark se tedy může vyskytovat ve třech různých barvách, obvykle červené, zelené a modré, ty se skládají jako světlo, tedy aditivně.

8 Hadrony poprvé - Baryony Baryony jsou složeny ze tří kvarků, antibaryony z antikvarků, navenek jsou bez barevného náboje, „bezbarvé“.

9 Hadrony podruhé - mezony Mezony jsou složeny z dvojice kvark - antikvark, navenek jsou tedy opět bezbarvé.

10 Fermiony vs. bosony pro fermiony platí Pauliho vylučovací princip

11 Fundamentální síly

12 Nosiče fundamentální sil

13 Experimenty: Urychlovače a jejich členění Urychlovače s pevným terčem Srážeče (collidery) Lineární urychlovače Kruhové urychlovače Urychlují se zejména elektrony (pozitrony), protony (antiprotony) a těžší jádra.

14 Experimenty: Vlastní detekce částic K určení typu částice se v detektorech se využívá kalorimetrů a magnetických polí.

15 Experimenty: Přehled center výzkumu CERN: Evropská laboratoř částicové fyziky, na švýcarsko-francouzské hranici, kde byly objeveny bosony W a Z.CERN SLAC: Stanford Linear Accelerator Center, v Kalifornii, objevil charm (půvabný) quark a lepton tau lepton; nyní urychlovač produkuje obrovské množství B mezonů.SLAC Fermilab: Fermi National Laboratory Accelerator, v Illinois, kde byly objeveny kvarky bottom, před časem též tau neutrino.Fermilab BNL: Brookhaven National Lab, v New Yorku, současně se SLACem detektovali půvabný kvark.BNL: CESR: Cornell Electron-Positron Storage Ring, v New Yorky. CESR provádí detailní studie kvarku bottom.CESR DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron, v Německu; byly zde objeveny gluony.DESY KEK: organizace urychlovačového výzkumu vysokých energií, v Japonsku, podobně jako ve SLACu jsou nyní zaměřeni na produkci mezonů B.KEK IHEP: Institute for High-Energy Physics, v Číně, provádí detailní výzkumu leptonu tau a půvabného kvarku.IHEP

16 Průhledy za standardní model Standardní model výborně popisuje a vysvětluje naprostou většinu současných pozorování v částicové fyzice. Ale rádi bychom též zejména: Vysvětlili hmotnosti jednotlivých částic (tzn. objevili Higgsův boson). Sledovali princip spontánního narušení symetrií a vysvětlili tak chování částic jednotnou teorií (teorie velkého sjednocení, …). Začlenili do sjednocené (kvantové) teorie též gravitaci. (Jsou řešením SUSY - supersymetrické teorie, anebo teorie superstrun?) Snížili počet volných parametrů (tedy parametrů, jejichž hodnoty neplynou z teorie, ale musíme je změřit) ze současných 132 (! - platí pro MSSM). A co neutrina? Oscilují a mají nenulovou hmotnost? A co na to standardní model?

17 Symetrie a jejich narušení C symetrie - systém s opačnými náboji by se choval stejně; neplatí! P symetrie - zrcadlová kopie systému by se chovala stejně; neplatí! T symetrie - kdybychom pustili čas pozpátku, systém by se choval stejně; neplatí! Neplatí ani kombinovaná CP symetrie, platí jedině kombinace všech tří - CPT Narušení CP symetrie má velký význam pro vysvětlení nesymetrie mezi výskytem hmoty a antihmoty ve vesmíru: Proč žijeme ve vesmíru tvořeném takřka výhradně jen hmotou? SYMETRIE - šedá homogenní nuda anebo krása komplexních struktur?

18 GUT - Teorie velkého sjednocení S energií se mění hodnoty vazbových konstant. Princip spontánního narušení symetrie.

19 SUSY - Supersymetrické teorie Abychom zahrnuli všechny předchozí symetrie, musíme konstruovat stále větší uspořádané skupiny částic (grupy) s větším počtem parametrů a větším počtem částic.

20 Teorie superstrun a extra dimenze Ukazuje se, že v běžném 4D prostoročase nelze zkonstruovat kvantovou teorii gravitace (tedy zahrnout gravitaci do rámce (nad)standardního modelu částicové fyziky). Lze ale zkonstruovat kvantovou teorii nebodových, více dimenzionálních objektů (strun, membrán) - a ty jsou ekvivalentní s 2D teorií gravitace. Chceme-li ale zachovat všechny symetrie, jsou možná řešení jen v 10 (fermionové a bosonové struny) či 26 (jen bosonové struny) dimenzích. Nalezneme pět nezávislých řešení (typ I, IIA, IIB, heterotická O a heterotická E), které lze sjednotit do 11-dim M teorie. Problém hierarchie a „velké“ extra dimenze. M Pl 2 = r n M nová n+2

21 Zlatá éra kosmologie „zlatá éra“„období precizní kosmologie“ v průběhu posledních tří let jsme vstoupili do nového období observační kosmologie, nazývaného některými jako „zlatá éra“ anebo „období precizní kosmologie“ měření poskytují již nejen kvalitativní, ale i solidní kvantitativní údaje, u mnoha zásadních kosmologických parametrů již byla pokořena magická hranice 10% chyby měření navíc prakticky všechna měření ve vzácné shodě ukazují na jediný vítězný model

22 Parametry vítězného modelu  CDM kosmologie v současné době vítězí model  CDM kosmologie horkým velkým třeskem vznikl horkým velkým třeskem plochýkritické množství hmoty rozpínání se zrychluje vesmír je plochý, obsahuje přesně kritické množství hmoty a energie, jeho rozpínání se zrychluje inflace s po velkém třesku nastalo období inflace, kdy se díky kvantovým fluktuacím utvořily počáteční nehomogenity vesmíru nezbytné pro vznik všech struktur ze dvou třetin temná energiez jedné třetiny temná hmota k pozorované kritické hustotě přispívá ze dvou třetin temná energie (patrně kosmologická konstanta), z jedné třetiny temná hmota, zářící hvězdy tvoří zhruba půl procenta

23 Parametry vítězného modelu II (29±4) % (4±1)%5 % 0,3 % hmota je tvořena především nebaryonickou chladnou temnou hmotou - (29±4) % kritické hustoty, baryony (temná i zářící) hmota pak tvoří (4±1) %, neutrina tvoří nejvýše 5 % kritické hustoty, nejspíš ale jen kolem 0,3 % 14±1 Gyr stáří vesmíru je 14±1 Gyr (72±7) km.s -1.Mpc -1 Hubblova konstanta má hodnotu (72±7) km.s -1.Mpc -1

24 Hubblova konstanta H 0... HST H 0 Key Project - výsledky zveřejněny v roce 2001

25 HST H 0 Key Project pozorováno více než 800 cefeid v 24 galaxiích ± 11 % chyba měření ± 11 % ve shodě s měřením GL, SZ, CMB, LSS,...

26 … a stáří vesmíru jak ukazuje tabulka, nově změřená H 0 v podstatě nepřipouští vesmír s nulovou 

27 … a stáří vesmíru - podle hvězd Pro odhad minimálního stáří vesmíru můžeme použít několik typů hvězd: 12 ± 3 Gyr podle obsahu thoria a uranu v hvězdách chudých na kovy v halu Galaxie: 12 ± 3 Gyr 9 Gyr Gyr minimální věk bílých trpaslíků v kulové hvězdokupě M4 je 9 Gyr, s nejlepším odhadem: Gyr 11,1±0,7 Gyr zákrytová dvojhvězda v kulové hvězdokupě Omega Cen má stáří 11,1±0,7 Gyr 12,6 Gyr nejstarší kulové hvězdokupy mají stáří kolem 12,6 Gyr (chyba necelé 2 Gyr)

28 Reliktní záření Patrně největšího experimentálního pokroku bylo dosaženo na poli pozorování teplotních fluktuací reliktního záření; motivace:

29 Měření fluktuací CMB COBE fluktuace objevila družice COBE (družice, vypuštěna v roce 1989) BOOMERANG MAXIMADASI na ní navázaly po roce 1998 experimenty BOOMERANG (balón), MAXIMA (další balón) a DASI (interferometr na Amundsenově-Scottově základně na jižním pólu), jejichž týmy publikovaly v loňském roce souhrnné výsledky MAP od konce června 2001 je na oběžné dráze rovněž sonda MAP PLANCK do konce dekády by měla odstartovat ještě sonda PLANCK, která přinese opět další zpřesnění

30 Multipólový rozvoj rozviňme do kulových funkcí: dvoubodová korelační funkce může být rozvinuta do Legendrových polynomů kde platí vztah:

31 Multipólový rozvoj II interpretace: poloha prvního peaku koresponduje s úhlovou velikostí Hubblova poloměru v čase rekombinace (H -1 CMB ), která je přímo ovlivněna geometrií vesmíru – je-li vesmír otevřený (resp. uzavřený), budou se dráhy fotonů přibližovat (resp. vzdalovat), a to povede k menšímu (většímu) pozorovanému úhlu; kde l peak   zhruba platí l peak   l  600 poloha druhého peaku (kolem l  600) je citlivá na hustotu baryonů

32 Přehlídky galaxií 2dFGRS galaxií SDSS - více než milión galaxií

33 Hmota ve vesmíru ve srovnání s dalšími oblastmi nebylo dosaženo ani zdaleka tak výrazného pokroku pozitivní detekce temné hmoty je velmi chabá a dokumentuje jen její malý zlomek - několik detekcí hnědých trpaslíků v rámci projektů MACHO, OGLE, … pokrok jen v měření výskytu primordiálních chemických prvků baryonická temná hmota - trpaslíci všech barev, černé díry, planety

34 Kandidáti nebaryonické hmoty Zatím neznáme „toho pravého“, ale několik nedávno ještě žhavých kandidátů lze naopak vyloučit, a to: neutrina neutrina - víme sice, že alespoň jeden druh má nenulovou klidovou hmotnost, ale i tak mohou tvořit nejvýše 5 % hmoty vesmíru axiony axiony - hypotetické částice navržené k vysvětlení nulového dipólového momentu neutronu, detekce pomocí tzv. Primakoffovy konverze experimenty pomalu vyloučena

35 Kandidáti nebaryonické hmoty II tedy zbývají WIMPy a WIMPZILLy WIMPZILLy jsou supermasivní WIMPy (klidová hmotnost GeV) neutralino jako nejpravděpodobnější WIMP se jeví v současnosti nejlehčí předpovězená supersymetrická částice, neutralino, na níž útočí jak experimentátoři (klidová hmotnost > 100 GeV), tak teoretici (klidová hmotnost < 200 TeV) ať tak či tak, oba typy byly patrně vytvořeny v období od konce inflace do rekombinace

36 Temná energie díky pozorováním z posledních let byla oživena idea kosmologické konstanty, „největšího omylu Einsteinova života“ - důkazy o nenulové  přináší nejvýrazněji pozorování supernov typu Ia, dále pak CMB, gravitačních čoček,...

37 Temná energie II Einsteinova rovnice s kosmologickou konstantou: důležitá je stavová rovnice: kosmologická konstanta je obvykle interpretována jako vnitřní energie vakua, dle kvantové teorie pole můžeme chápat prázdný prostor jako nekonečně mnoho harmonických oscilátorů; „odřezáváme“ módy pro energie vyšší, než je platnost užívané teorie rozdíl 120 řádů ! (největší chyba ve fyzice vůbec)

38 “Brane cosmology” (Membránová kosmologie) aplikace strunových teorií v kosmologii membrána 11 dimenzí celkem, 6 svinutých, kompaktifikovaných, žijeme v 5-rozměrném „bulku“ (rozvinutém objemu), náš čtyřrozměrný časoprostor je nazýván „brane“ (membrána) a pohybuje se podél páté dimenze „ekpyrotický vesmír“ srážkou dvou membrán vznikl vesmír namísto velkého třesku - tzv. „ekpyrotický vesmír“ motivace - extra dimenze řeší „problém hierarchie“ - E PL >> E EW, po srážce dvou membrán dochází přirozeně k období nadsvětlené expanzi - k „inflaci“


Stáhnout ppt "Proč drží vesmír pohromadě? Michael Prouza 17. prosince 2003 Standardní model částicové fyziky a ještě trocha navíc..."

Podobné prezentace


Reklamy Google