Partikelfysik och Kosmologi

Transkript

1 Partikelfysik och Kosmologi ~10-10 m ~1 m T. Åkesson 2005 ~10-14 m <10-18 m Vår värlsbil av materiens minsta byggstenar Partikelfysik Materiepartiklar (spinn = ½ ): kvarkar och leptoner Leptoner e e Laning massa leptontal ingen < 3 ev/c 2 L e = kev/c 2 L e = + 1 pp ner Kvarkar M (GeV/c 2 ) 1.5-4, , q +2/3-1/3 Bygger pp atomer ingen < 0.19 MeV/c 2 L μ = MeV/c 2 L μ = + 1 charm sär c s 1, /3-1/3 ingen < 18.2 MeV/c 2 L = MeV/c 2 L = + 1 topp botten t b ,0-4,5 +2/3-1/3 Varje materiepartikel har en antipartikel me motsatt laning

2 Växelverkan Förmelas av tbytespartiklar: Stark: glonen Elektromagnetisk: fotonen Svag: W och Z 0 Kraft Relativ styrka räckvi Stark (rest) 1 ~ 1 fm Elektromagnetisk ~10-2 1/r 2 Svag ~10-6 ~10-3 fm Gravitation ~ /r 2 Feynmaniagram Ofta trevligt att grafiskt knna illstrera för att förstå reaktion. Detta görs mha Feynman-iagram. partiklar ritas me pil framåt i tien. antipartiklar ritas me pil bakåt i tien i varje kntpnkt gäller bevaranelagar, så när som på att växelverkan kan förmelas av virtella partiklar. Me virtella partiklar avses att energins och rörelsemängen inte bevaras ner kort ti i enlighet me Heisenbergs obestämbarhetsprincip ΔEΔt h/4π ( pga brott mot bevaranet) Exempel: e + e - sprining (Bhabha-sprining) ti e + e + ti e + e+ Virtell foton e - e - e - Virtell foton e- Dock: Feynman-iagram är inte bara snygg grafik. Varje linje och kntpnkt motsvarar en matematisk term som sammantaget kan använas för att t.ex. beräkna reaktionstvärsnitt.

3 Nya kvanttal och bevaranelagar. Experimentellt har observerats att vissa egenskaper bevaras. Dessa beskriver vi mha kvanttal. Antal kvarkar bevaras. (Vi räknar här antikvarkar som ett negativt antal) baryontal B Varje kvark har baryontalet +1/3. I natren förkommer bara kvarkkombinationer av typen qqq och kvark-antikvark (samt förstås tre antikvarkar). 3-kvarkskombinationen får å baryontalet B = +1 och kallas baryon. Baryontal bevaras allti. Nkleoner, vs p och n, är baryoner. Man har också noterat att lepton-familj allti bevaras i växelverkan. Leptontal L e, L μ, L τ Exempel: Protonen p består av tre (valens)kvarkar: (laning : +1) Netronen n består också av tre (valens)kvarkar: (laning : 0) n p e - ν B = 1 båe före och efter sönerfallet e L e = 0 före resp +1 1=0 efter sönerfallet W - e - ν Baryoner och mesoner Exempel på mesoner: I natren har bara observerats kombinationer av tre kvarkar (baryon, B =1), tre antikvarkar (B = -1) och kvark-antikvark (meson, B = 0). Särtal S anger antal anti-särkvarkar, bevaras inte vi W -tbyte Symbol Kvarkinnehåll Laning Massa (MeV/c 2 ) Spinn π ,6 0 π ,6 0 K + s ,7 0 K - s ,7 0 K 0 s 0 497,7 0 K 0 s 0 497,7 0

4 Qantm Chromo Dynamics (QCD) Mysterim: varför följer inte spinn-½ partiklar som Ω - (sss) Paliprincipen? Varför baryoner och mesoner? Kvarkar har änn en egenskap (kvanttal): färglaning Extra kvanttal är väret för alla tre kvarkarna i Ω - är olika Paliprincipen räa. Desstom: Glonen har färglaning (egentligen färg+antifärg) Pga att glonen är masslös (oänlig räckvi) samt har färglaning ökar styrkan hos en starka kraften på färglaae objekt me avstånet så att på några fm avstån kan bara färgnetrala objekt förekomma. Tre färger färgnetralt objekt, vs baryoner Färg + sin antifärg färgnetralt objekt, vs mesoner Namnet färg använs för att kombinationen av tre färger, blått+grönt+rött är färgnetralt, vs vitt På korta avstån (<< fm) är kvarkarna asymptotiskt fria Nobelpriset 2004 Raneffekt av färgkraften ger en starka kraft som me kort räckvi håller samman atomkärnan Kärn kraft på kvark-glon nivå n -annihilation p g g -parbilning p n

5 Hr kan man mäta? Kolliera partiklar vi lämplig energi Här m 1 + m 2 M Därefter sönerfaller M M m 3 + m 4 + m 5 Eftersom energi och rörelsemäng bevaras samt att massa och energi är ekvivalenta (E=mc 2 ) kan vi räkna oss fram Vet vi allt? Higgsmekanismen Ett fält me 4 komponenter som ger massa åt partiklar. Innehåller en ny partikel, Higgsbosonen. I somras hittaes en ny partikel me massa 126 GeV/c 2. Dess mätta egenskaper överensstämmer me Higgsbosonen, men några egenskaper kvarstår att bestämma.. Stanarmoellen stämmer bra me et vi hittills har knnat mäta!! Vi kan n också förklara massa. Men. Speklationer: Desstom: Vi förväntar oss att alla krafter skall knna beskrivas på en gemensam form. Kräver ny fysik! Spersymmetri: varje kän partíkel har en spersymmetrisk partner. Tng! Strängar i 10 imensioner eller membran i 11? Dimensioner töver våra vanliga 4 hoprllae?

6 M-teori och strängar Theoore Kalza Oscar Klein (1920) Rms-tien har en 5:e göm imension 5:e imensionen slter mot sig själv och formar en cirkel Kvantvågor kan å finnas rnt cirkeln och passa ihop i en ring. Enast ett helt antal vågor passar rnt cirkeln motsvarane partiklar me olika energi. Kvantisering. En person i 4 imensioner, ppfattar etta som partiklar me iskreta laningar. Om vi jämför elektrisk laning, e, hos en elektron motsvarar etta en cirkel me raie m. Strängar: 10 imensioner. Fem olika teorier. Strängar kan vara öppna eller sltna. Istället: Membran i 11 imensioner. M-teori Ger e 5 olika strängteorierna som specialfall. (r Sci. Am. Feb 1998) En hoprlla imension får ett mebran att ppträa som en sträng.

7 Vil ié: Forskning vi KTH: ATLAS-experimentet vi CERNs Large Haron Collier. Leta bl.a. efter spersymmetriska partiklar

8 The ATLAS Detector. En of November 2005

9 SH2203, particle physics, KTH, 2011 SH2203, particle physics, KTH, 2011

10 Higgs 4 e caniate event Teknisk Fysik. Intro Teknisk Fysik. Intro

11 Teknisk Fysik. Intro

12 23 Teknisk Fysik. Intro

13 Kosmologi: Universms ppkomst. Big Bang. Stös av experimentella ata protoner netroner kärnor Ursoppa Alla krafter förenae Gravitation frikopplaes Stark och elektrosvag kraft ppelaes kvark-glon plasma atomer galaxer Stö för Big Bang-teorin Hvsakligen tre experimentella stö: Mikrovågsbakgrnen. Efter år, vi T =400 K, frikopplaes en elektromagnetiska strålningen. Efter expansion ner niversms 13,7 Går motsvarar etta en sänkt temperatr förväntat kring några K. Denna mikrovågsbakgrn me T =2,7 K har observerats. Universm expanerar. Galaxer långt bort från oss rör sig snabbare iväg än närliggane. Förhållanet mellan protoner, netroner och lätta kärnor stämmer me va som förväntas efter big bang.

14 Mikrovågsbakgrnen 1965 tolkae Wilson och Penzias en svag bakgrnsignal som e fann i en mikrovågsantenn för kosmisk strålning som mikrovågsbakgrn. ( Nobelpris 1978) Spektrm för strålningen har senare mätts av COBE-experimentet. Spektrm stämmer me T =2,7 K enligt Wien s förskjtningslag. ( λt, ) λ 8πhc 1 λ λ λk T e hc 5 / B 1 Mikrovågsbakgrnen (forts) Men temperatren i mikrovågsbakgrnen varierar me riktningen!! Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Då strålning ominerae niversm (T >3000K) bore snabbt tjämning ske pga termisk jämvikt. Inflation vi tien s. Områen hamnar tanför ljskonens horisont. (Uner inflationen rör sig regioner från varanra me hastighet högre än c. Hr är etta möjligt? Svar: vi vet inte! Det vi kan mäta stämmer ock me hypotesen att inflation råe.) Stämmer väl: bara en liten skillna. Olika områen var i jämvikt före inflationen!

15 Universm expanerar Hastigheter kan mätas me Doppler-skift: 1 β λ λ λ(1 Z ) är 1 β 1 β Z 1 1 β är röskiftet. För små Z gäller Z β = v/c Avstån kan mätas från en observerae ljsstyrkan hos stellära objekt. Hbble använe galaxer. Iag visat att spernovor (typ Ia) som skapas vi kollaps av stjärnor som blivit vita värgar ger en stanarisera ljskälla. (Spernova Cosmology Project, me bl.a Ariel Goobar och hans grpp från SU.) Ewin Hbble mätte 1929 röskift som fnktion av avstån: v = H 0 r är H 0 är Hbbles konstant H 0 iag mätt till ca km s -1 ljsår -1 (Hbble fann ett mycket större väre) Universm expanerar (forts) Egentligen beror alla parametrarna i Hbbles lag av tien: v (t ) = H(t ) r(t ) Data från SCP visar att expansionen accelererar Bakåt i tien

16 Nkleosyntes ner big bang Uner första ½-timmen skapaes e lätta elementen. Förtsägelse från big-bang moellen: 75% av massan är protoner, 25% Helim Små mänger litim och beryllim skapas också. Stämmer me ata!!! Alla kärnor me Z > 4 skapas i sltskeet av stjärnors liv! Va har vi kvar att besvara? Mörk materia Observera rotationshastighet hos stjärnor som fnktion av raie spiralgalaxer kan inte förklaras me isken eller interstellär gas. Det måste finnas en halo. Halon vare sig säner t eller absorberar strålning Mörk materia Ca 90% av niversms materia tgörs av mörk materia!!!!! Kan tgöras av spersymmetriska partiklar Ur D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxfor Univ. Press Mörk energi Universm verkar att expanera allt snabbare. Bästa anpassning till ata är om ca 30% av niversms massensitet tgörs av materia Ω m (inklsive mörk materia) och 70% av någon slags mörk energi Ω Λ motsvarane Einsteins kosmologiska konstant Λ. Denna massensitet som anel av en massa som behövs att expansionen skall precis stanna av vi oänlig separation av galaxerna vs å Ω m + Ω Λ = 1. (Detta verkar f.n. vara fallet)

17 Forskning vi KTH bl.a.: The PAMELA Experiment Sterar antimateria i kosmiska strålningen. Transition Raiation Detector 20.5 cm 2 sr Resrs Dk1 Satellite Anticoincience Shiel 1.2 m Silicon Tracker an Permanent Magnet Si-W Electromagnetic Calorimeter Netron Detector Time of Flight Conters Bottom Scintillator Lanche smmer km

18 Natre 458 (2009) 607 Excess of positrons! Dark matter? Plsars? Lanch: Baikonr, Jne 15 th 2006, 0800 UTC. Solar molation Seconary proction moel Moskalenko + Strong, ApJ 493 (1998) 694 Interpretation takes into accont the solar activity