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

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

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.

Rekapitulace historických milníků • 1900 M. Planck přichází s představou kvantování. • 1911 E. Rutheford navrhuje existenci atomového jádra. • 1928 Diracova relativistická kvantová teorie elektronu. • 1930 W. Pauli navrhuje existenci neutrina. • 1934 H. Yukawa navrhuje teorii jaderných interakcí zprostředkovanou výměnou pionu. • 1953 Počátek „populační exploze“ částic. • 1956 Objeveno neutrino. • 1964 M. Gell-Mann a G. Zweig přicházejí s ideou kvarků. • 1967 A. Salam a S. Weinberg představují teorii elektroslabých interakcí. • 1973 H. Fritsch a opět M. Gell-Mann přicházejí s QCD teorií. • 1976 M. Perl objevuje šestý lepton - tau. • 1983 V CERNu objeveny intermediální bosony W a Z. • 1989 Experimenty v CERN potvrzena existence tří generací neutrin. • 1995 Objeven top kvark. • 2000 Ve Fermilabu potvrzena existence t neutrina. Všechny částice SM konečně nalezeny.

Historická rekapitulace II

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.

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.

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

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

Fermiony vs. bosony • pro fermiony platí Pauliho vylučovací princip

Fundamentální síly

Nosiče fundamentální sil

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.

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

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

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?

Symetrie a jejich narušení SYMETRIE - šedá homogenní nuda anebo krása komplexních struktur? • 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?

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

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

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. MPl2 = rn Mnován+2

Zlatá éra 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

Parametry vítězného modelu • v současné době vítězí model LCDM kosmologie • vznikl horkým velkým třeskem • vesmír je plochý, obsahuje přesně kritické množství hmoty a energie, jeho rozpínání se zrychluje • 10 -32 s po velkém třesku nastalo období inflace, kdy se díky kvantovým fluktuacím utvořily počáteční nehomogenity vesmíru nezbytné pro vznik všech struktur • k pozorované kritické hustotě přispívá ze dvou třetin temná energie (patrně kosmologická konstanta), z jedné třetiny temná hmota, zářící hvězdy tvoří zhruba půl procenta

Parametry vítězného modelu II • 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 % • stáří vesmíru je 14±1 Gyr • Hubblova konstanta má hodnotu (72±7) km.s -1.Mpc -1

Hubblova konstanta H0 ... HST H0 Key Project - výsledky zveřejněny v roce 2001

HST H0 Key Project • pozorováno více než 800 cefeid v 24 galaxiích • chyba měření ± 11 % • ve shodě s měřením GL, SZ, CMB, LSS, ...

… a stáří vesmíru • jak ukazuje tabulka, nově změřená H0 v podstatě nepřipouští vesmír s nulovou L

… a stáří vesmíru - podle hvězd Pro odhad minimálního stáří vesmíru můžeme použít několik typů hvězd: • podle obsahu thoria a uranu v hvězdách chudých na kovy v halu Galaxie: 12 ± 3 Gyr • minimální věk bílých trpaslíků v kulové hvězdokupě M4 je 9 Gyr, s nejlepším odhadem: 12 - 13 Gyr • zákrytová dvojhvězda v kulové hvězdokupě Omega Cen má stáří 11,1±0,7 Gyr • nejstarší kulové hvězdokupy mají stáří kolem 12,6 Gyr (chyba necelé 2 Gyr)

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

Měření fluktuací CMB • fluktuace objevila družice COBE (družice, vypuštěna v roce 1989) • 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 • od konce června 2001 je na oběžné dráze rovněž sonda MAP • do konce dekády by měla odstartovat ještě sonda PLANCK, která přinese opět další zpřesnění

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

Multipólový rozvoj II • interpretace: poloha prvního peaku koresponduje s úhlovou velikostí Hubblova poloměru v čase rekombinace (H-1CMB), 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 zhruba platí lpeak ~ 220 W-1/2 poloha druhého peaku (kolem l ~ 600) je citlivá na hustotu baryonů

Přehlídky galaxií • 2dFGRS - 220 000 galaxií • SDSS - více než milión galaxií

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

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

Kandidáti nebaryonické hmoty II • tedy zbývají WIMPy a WIMPZILLy • WIMPZILLy jsou supermasivní WIMPy (klidová hmotnost 109 - 1019 GeV) • 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

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

rozdíl 120 řádů ! (největší chyba ve fyzice vůbec) 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)

“Brane cosmology” (Membránová kosmologie) • aplikace strunových teorií v kosmologii • 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 • srážkou dvou membrán vznikl vesmír namísto velkého třesku - tzv. „ekpyrotický vesmír“ • motivace - extra dimenze řeší „problém hierarchie“ - EPL >> EEW, po srážce dvou membrán dochází přirozeně k období nadsvětlené expanzi - k „inflaci“