Partikelfysik och Kosmologi

Transkript

1 Partikelfysik Partikelfysik och Kosmologi Materiepartiklar (spinn = ½ ): kvarkar och leptoner Leptoner ν e e Laddning massa leptontal ingen < 3 ev/c 2 L e = kev/c 2 L e = + 1 upp ner Kvarkar u d M (GeV/c 2 ) 1.5-4, , q +2/3-1/3 Bygger upp atomer ν μ μ ingen < 0.19 MeV/c 2 L μ = MeV/c 2 L μ = + 1 charm sär c s 1, /3-1/3 ν τ τ ingen < 18.2 MeV/c 2 L τ = MeV/c 2 L τ = + 1 topp botten t b 174±5 4,0-4,5 +2/3-1/3 Varje materiepartikel har en antipartikel med motsatt laddning

2 Växelverkan Kraft Relativ styrka räckvidd Stark (rest) 1 ~ 1 fm Förmedlas av utbytespartiklar: Stark: gluonen Elektromagnetisk ~10-2 1/r 2 Elektromagnetisk: fotonen Svag ~10-6 ~10-3 fm Svag: W ± och Z 0 Gravitation ~ /r 2

3 Feynmandiagram Ofta trevligt att grafiskt kunna illustrera för att förstå reaktion. Detta görs mha Feynman-diagram. partiklar ritas med pil framåt i tiden. antipartiklar ritas med pil bakåt i tiden i varje knutpunkt gäller bevarandelagar, så när som på att växelverkan kan förmedlas av virtuella partiklar. Med virtuella partiklar avses att energins och rörelsemängden inte bevaras under kort tid i enlighet med Heisenbergs obestämbarhetsprincip E t h/4π ( pga brott mot bevarandet) Exempel: e + e - spridning (Bhabha-spridning) tid e + e + tid e + e+ Virtuell foton e - e - e - Virtuell foton e- Dock: Feynman-diagram är inte bara snygg grafik. Varje linje och knutpunkt motsvarar en matematisk term som sammantaget kan användas för att t.ex. beräkna reaktionstvärsnitt.

4 Nya kvanttal och bevarandelagar. 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 naturen förkommer bara kvarkkombinationer av typen qqq och kvark-antikvark (samt förstås tre antikvarkar). 3-kvarkskombinationen får då baryontalet B = +1 och kallas baryon. Baryontal bevaras alltid. Nukleoner, dvs p och n, är baryoner. Man har också noterat att lepton-familj alltid bevaras i växelverkan. Leptontal L e, L μ, L τ Exempel: Protonen p består av tre (valens)kvarkar: uud (laddning : +1) Neutronen n består också av tre (valens)kvarkar: udd (laddning : 0) n p+ e - +ν B = 1 både före och efter sönderfallet e L e = 0 före resp +1 1=0 efter sönderfallet u d d W - u d u e - ν

5 Baryoner och mesoner Exempel på mesoner: I naturen 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 vid W ± -utbyte Symbol Kvarkinnehåll Laddning Massa (MeV/c 2 ) Spinn π + ud ,6 0 π - ud ,6 0 K + us ,7 0 K - su ,7 0 K 0 ds 0 497,7 0 K 0 sd 0 497,7 0

6 Quantum Chromo Dynamics (QCD) Mysterium: varför följer inte spinn-½ partiklar som Ω - (sss) Pauliprincipen? Varför baryoner och mesoner? Kvarkar har ännu en egenskap (kvanttal): färgladdning Extra kvanttal där värdet för alla tre kvarkarna i Ω - är olika Pauliprincipen räddad. Dessutom: Gluonen har färgladdning (egentligen färg+antifärg) Pga att gluonen är masslös (oändlig räckvidd) samt har färgladdning ökar styrkan hos den starka kraften på färgladdade objekt med avståndet så att på några fm avstånd kan bara färgneutrala objekt förekomma. Tre färger färgneutralt objekt, dvs baryoner Färg + sin antifärg färgneutralt objekt, dvs mesoner Namnet färg används för att kombinationen av tre färger, blått+grönt+rött är färgneutralt, dvs vitt På korta avstånd (<< fm) är kvarkarna asymptotiskt fria Nobelpriset 2004 Randeffekt av färgkraften ger den starka kraft som med kort räckvidd håller samman atomkärnan Kärn kraft på kvark-gluon nivå n u d d d uu-annihilation p u u d g g u u d u uu-parbildning d u d p n

7 Hur kan man mäta? Kollidera partiklar vid lämplig energi Här m 1 + m 2 M Därefter sönderfaller M M m 3 + m 4 + m 5 Eftersom energi och rörelsemängd bevaras samt att massa och energi är ekvivalenta (E=mc 2 ) kan vi räkna oss fram

8 Vet vi allt? Standardmodellen stämmer bra med det vi hittills har kunnat mäta. Men. Vi måste förklara begreppet massa Higgsmekanismen Ett fält med 4 komponenter som ger massa åt partiklar. Innehåller en ny partikel, Higgsbosonen vars massa måste vara 1 TeV/c 2 Spekulationer: Dessutom: Vi förväntar oss att alla krafter skall kunna beskrivas på en gemensam form. Kräver ny fysik! Supersymmetri: varje känd partíkel har en supersymmetrisk partner. Tung! Strängar i 10 dimensioner eller membran i 11? Dimensioner utöver våra vanliga 4 hoprullade?

9 M-teori och strängar Theodore Kaluza Oscar Klein (1920) Rums-tiden har en 5:e gömd dimension 5:e dimensionen sluter mot sig själv och formar en cirkel Kvantvågor kan då finnas runt cirkeln och passa ihop i en ring. Endast ett helt antal vågor passar runt cirkeln motsvarande partiklar med olika energi. Kvantisering. En person i 4 dimensioner, uppfattar detta som partiklar med diskreta laddningar. Om vi jämför elektrisk laddning, e, hos en elektron motsvarar detta en cirkel med radie m. Strängar: 10 dimensioner. Fem olika teorier. Strängar kan vara öppna eller slutna. Istället: Membran i 11 dimensioner. M-teori Ger de 5 olika strängteorierna som specialfall. (ur Sci. Am. Feb 1998)

10 En hoprullad dimension får ett mebran att uppträda som en sträng.

11 Vild idé:

12 Forskning vid KTH: ATLAS-experimentet vid CERNs Large Hadron Collider. Leta bl.a. efter supersymmetriska partiklar

13 Kosmologi: Universums uppkomst. Big Bang. Stöds av experimentella data protoner neutroner kärnor Ursoppa Alla krafter förenade Gravitation frikopplades Stark och elektrosvag kraft uppdelades kvark-gluon plasma atomer galaxer

14 Stöd för Big Bang-teorin Huvudsakligen tre experimentella stöd: Mikrovågsbakgrunden. Efter år, vid T =400 K, frikopplades den elektromagnetiska strålningen. Efter expansion under universums 13,7 Går motsvarar detta en sänkt temperatur förväntat kring några K. Denna mikrovågsbakgrund med T =2,7 K har observerats. Universum expanderar. Galaxer långt bort från oss rör sig snabbare iväg än närliggande. Förhållandet mellan protoner, neutroner och lätta kärnor stämmer med vad som förväntas efter big bang.

15 Mikrovågsbakgrunden 1965 tolkade Wilson och Penzias en svag bakgrundsignal som de fann i en mikrovågsantenn för kosmisk strålning som mikrovågsbakgrund. ( Nobelpris 1978) Spektrum för strålningen har senare mätts av COBE-experimentet. Spektrum stämmer med T =2,7 K enligt Wien s förskjutningslag. u( λt, ) dλ = 8πhc 1 dλ λ λk T e hc 5 / B 1

16 Mikrovågsbakgrunden (forts) Men temperaturen i mikrovågsbakgrunden varierar med riktningen!! Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Då strålning dominerade universum (T >3000K) borde snabbt utjämning ske pga termisk jämvikt. Inflation vid tiden s. Områden hamnar utanför ljuskonens horisont. (Under inflationen rör sig regioner från varandra med hastighet högre än c. Hur är detta möjligt? Svar: vi vet inte! Det vi kan mäta stämmer dock med hypotesen att inflation rådde.) Stämmer väl: bara en liten skillnad. Olika områden var i jämvikt före inflationen!

17 Universum expanderar 1 + β Hastigheter kan mätas med Doppler-skift: λ = λ = λ(1 + Z ) där 1 β För små Z gäller Z β = v/c Z = 1 + β 1 1 β är rödskiftet. Avstånd kan mätas från den observerade ljusstyrkan hos stellära objekt. Hubble använde galaxer. Idag visat att supernovor (typ Ia) som skapas vid kollaps av stjärnor som blivit vita dvärgar ger en standardiserad ljuskälla. (Supernova Cosmology Project, med bl.a Ariel Goobar och hans grupp från SU.) Edwin Hubble mätte 1929 rödskift som funktion av avstånd: v = H 0 r där H 0 är Hubbles konstant H 0 idag mätt till ca km s -1 ljusår -1 (Hubble fann ett mycket större värde)

18 Universum expanderar (forts) Egentligen beror alla parametrarna i Hubbles lag av tiden: v (t ) = H(t ) r(t ) Data från SCP visar att expansionen accelererar Bakåt i tiden

19 Nukleosyntes under big bang Under första ½-timmen skapades de lätta elementen. Förutsägelse från big-bang modellen: 75% av massan är protoner, 25% Helium Små mängder litium och beryllium skapas också. Stämmer med data!!! Alla kärnor med Z > 4 skapas i slutskedet av stjärnors liv!

20 Vad har vi kvar att besvara? Mörk materia Observerad rotationshastighet hos stjärnor som funktion av radie spiralgalaxer kan inte förklaras med disken eller interstellär gas. Det måste finnas en halo. Halon vare sig sänder ut eller absorberar strålning Mörk materia Ur D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univ. Press Ca 90% av universums materia utgörs av mörk materia!!!!! Kan utgöras av supersymmetriska partiklar Mörk energi Universum verkar att expandera allt snabbare. Bästa anpassning till data är om ca 30% av universums massdensitet utgörs av materia Ω m (inklusive mörk materia) och 70% av någon slags mörk energi Ω Λ motsvarande Einsteins kosmologiska konstant Λ. Denna massdensitet som andel av den massa som behövs att expansionen skall precis stanna av vid oändlig separation av galaxerna dvs då Ω m + Ω Λ = 1. (Detta verkar f.n. vara fallet)

21

22 Forskning vid KTH bl.a.: The PAMELA Experiment Studerar antimateria i kosmiska strålningen. Transition Radiation Detector 20.5 cm 2 sr Resurs Dk1 Satellite Anticoincidence Shield 1.2 m Silicon Tracker and Permanent Magnet Si-W Electromagnetic Calorimeter Neutron Detector Time of Flight Counters Bottom Scintillator Launch: ~ early ε km