Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

Relevanta dokument
Big bang Ulf Torkelsson. 1 Enkla observationer om universums kosmologiska egenskaper

Kosmologi efter elektrosvagt symmetribrott

Universums uppkomst: Big Bang teorin

Vanlig materia (atomer, molekyler etc.) c:a 4%

Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

Introduktion till Kosmologi

Kosmologin söker svar bl.a. på: Hur uppkom universum? Hur gammalt är universum? Hur är materian och energin fördelad?

Partikelfysik och Kosmologi

Ett expanderande universum Ulf Torkelsson

Kosmologin söker svar bl.a. på: Hur uppkom universum? Hur gammalt är universum? Hur är materian och energin fördelad?

Att förena gravitation och elektromagnetism i en (klassisk) teori. Kaluza [1919], Klein [1922]: Allmän

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

Mörk materia och det tidiga universum Joakim Edsjö Stockholms Universitet

Dessa egenskaper hos bakgrundsstrålningen har observerats

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

Innehåll. Förord Del 1 Inledning och Bakgrund. Del 2 Teorin om Allt en Ny modell: GET. GrundEnergiTeorin

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

Higgsbosonens existens

Higgspartikeln. och materiens minsta beståndsdelar. Johan Rathsman Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet. NMT-dagar i Lund

Sett i ett lite större perspektiv

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Kosmologi. Kosmos (grek., världsalltet, världsordningen, världen, god ordning ), i astronomin det samma som världsalltet, universum.

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Strängar och extra dimensioner

Big Bang. Oskar Sandberg mars 2009

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Från Universums utveckling

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Introduktion till partikelfysik. CERN Kerstin Jon-And Stockholms universitet

Kosmologi - läran om det allra största:

Cygnus. I detta Cygnus. medlemsblad för Östergötlands Astronomiska Sällskap (ÖAS) Se våra aktiviteter i ÖAS under höstsäsongen.

Varför forskar vi om elementarpartiklar? Svenska lärarare på CERN Tord Ekelöf, Uppsala universitet

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).

Christophe Clément (Stockholms Universitet)

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 6 Lösningar

Absolut tid och rum. Statiskt Oändligt. Olbers paradox von Seeligers paradox

Big Bang L ars Bergström G ruppen för K osmologi, partikelastrofysik och strängteori F ysikum, Stockholms universitet

Tomrummet Partikelfysik 2008 av Josef Kemény

Preonstjä. av Johan Hansson och Fredrik Sandin

Upptäckten av Higgspartikeln

Kosmologi. Universums utveckling. MN Institutionen för astronomi. Av rättighetsskäl är de flesta bilder från Wikipedia, om inte annat anges

Upplägg. Big Bang. Rekombinationen I. Översiktskurs i astronomi Lektion 12: Universums barndom och framtid. Ett strå. strålningsdominerat universum

Galaxhopar Kollisioner i hopar är vanliga Avstånden mellan medlemmarna är små och de stora galaxerna äter succesivt upp de mindre

Citation for the original published paper (version of record):

Universum. en symfoni i skönhet och elegans

Crafoordpriset Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat utdela Crafoordpriset i astronomi 2005 till James Gunn, Princeton University, USA,

1.5 Våg partikeldualism

Inspirationsdag i astronomi. Innehåll. Centret för livslångt lärande vid Åbo Akademi Vasa, 24 mars 2011

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Christian Hansen CERN BE-ABP

Acceleratorer och Detektorer Framtiden. Barbro Åsman den

Universums historia och fram1d

Att utforska mikrokosmos

Från Big Bang till universums acceleration

III Astropartikelfysik och subatomär fysik

Leptoner och hadroner: Teori och praktik inom partikelfysiken

LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

Universums expansion och storskaliga struktur Ulf Torkelsson

Big Bang L ars Bergström Oskar K lein-centrum för kosmopartikelfysik F ysikum, Stockholms universitet

Tid Onsdag den 21 januari 2015, kl Plats Pingstkyrkan, Lasarettsgatan 11 A, Örnsköldsvik. Avgift 50 kr. Åhörare 122.

Kosmisk strålning & tungjonsfysik

Del A: Seminarium i Hedemora Tord Ekelöf, Uppsala universitet

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Föreläsningsserien k&p

Version 24/4/02. Neutriner som budbärare från KOSMOS

Inspirationsdag i astronomi. Innehåll. Centret för livslångt lärande vid Åbo Akademi Vasa, 24 mars 2011

Om Particle Data Group och om Higgs bosonens moder : sigma mesonen

Gull! Astrofysikk, kärnfysik, kvantmekanik og relativitetsteori i vardagen? Jonas Persson Institutt for Fysikk, NTNU

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

Från atomkärnor till neutronstjärnor Christoph Bargholtz

Materiens Struktur. Lösningar

Stjärnors död samt neutronstjärnor. Planetära nebulosan NGC (New General Catalogue) Kattöganebulosan

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Upplägg. Översiktskurs i astronomi Lektion 11: Galaxer och kosmologi. Vår lokala galaxgrupp. Virgohopen. Kannibalgalaxer i galaxhopars centrum

Föreläsning 12 Partikelfysik: Del 1

1755: Immanuel Kant, The Universal Natural History and Theories of the Heavens.

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

överhanden och protoner och neutroner skulle bildas. Dessa partiklar bildade tillsammans olika kärnor i grundämnen, främst väte, tungt väte och

En rundvandring i rymden

Den experimentella partikelfysikens framtid.

Krävs för att kunna förklara varför W och Z bosoner har massor.

5.13. Astrofysik (fortsättning)

Kosmologi - läran om det allra största:

Astronomi. Vetenskapen om himlakropparna och universum

Instuderingsfrågor för godkänt i fysik år 9

Partikeläventyret. Bernhard Meirose

Nobelpriset i fysik 2006

Introduktion. Stjärnor bildas, producerar energi, upphör producera energi = stjärnor föds, lever och dör.

Del 1. Introduktion till ett nytt. Naturvetenskapligt. Paradigm

Transkript:

Partikelfysik och det Tidiga Universum Jens Fjelstad 2010 05 10

Universum Expanderar Hubbles Lag: v = H 0 D D avståndet mellan två punkter i universum v den relativa hastigheten mellan punkterna H 0 (70km/s)/Mpc (Hubblekonstanten) experimentellt: rödskift vs. ljusstyrka Edwin Hubble [1929] Konsekvens: Universum Expanderar Följer vi expansionen baklänges finner vi en tidpunkt, 1/H 0 13,8miljarder år, då hela universum hade volymen noll Big Bang hypotesen: Universum har utvecklats från ett väldigt hett och tätt tillstånd en ändlig tid tillbaka. Nuvarande modell: ΛCDM modellen universum 13,72 ± 0,12 miljarder år expansionen accelererar f.n. 2 / 21

Universums Tidslinje 3 / 21

Standard Modellen för Kosmologi ΛCDM Kosmologiska Principen: universum är homogent och isotropt (på stora skalor) Λ: Lambda, den kosmologiska konstanten Einsteins största misstag Λ > 0 fysikalisk tolkning: vakuumenergi ( mörk energi ) förklarar den accelererande expansionen bidrar 73% till energitätheten i universum CDM: Cold Dark Matter (kall mörk materia) mörk materia: materia som inte vxv (märkbart) med elektromagnetism kall : icke relativistisk, långsam viktig för strukturformation, galaxer, hopar, superhopar bidrar 23% till energitätheten i universum Synlig materia resten av energitätheten Inflation i tidiga universum 4 / 21

Den Kosmologiska Konstanten Einsteins fältekvationer R µν 1 2 Rg µν +Λg µν = 8πG }{{} c 4 T µν }{{} geometri/gravitation materia Universum kan expandera & kontrahera utan Λ, men med Λ kan expansionen accelerera Första observationella tecknen på Λ > 0 1998 (supernovor) Kosmologiska konstant problemet (jfr hierarkiproblemet): ( ) 4 kvantfältteori ger naturligt vakuumenergi MPl 4 = observerat värde Λ 10 120 M 4 Pl möjligtvis lösbart med supersymmetri Weinbergs lösning : antropiska principen 5 / 21 c G

! Det Tidiga Universum!"#$%&'()*"+*,-."/01*$+'-%*'(-*2&#*2$/# 1$ 1# 2 7!$!12!#2!#$!"# 56' ;#-&'<=3>!+*2*$'()*%+ :3)2*$'()*%+ 9#.-*$'()*%+ 78#-&'()*%+ ("3%2-*43#&'()*%+,-#$.'/$010%#20*$'()*%+!"#$%&'()*%+ 7-*/:,)B* %&'()*+,)-./0+)* 6 / 21! 1-?5():J-6+C/ 3)45(6+,) 1-'+:,*/:,)B 1-C+:@,*/:,)B 1-*/:,)B #!27-C+)96/* 89:5/,*;)6</*+* #DEF777-;/(@* =/:,CI+)(6+,) 1#GD-I+55+,)-;/(@*?@/*/)6-A(;! 7G1H!1G7-I+55+,)-;/(@* =/+,)+>(6+,)

Planckeran t t Pl 10 43 s Okänd fysik teorin om allt : gravitation och mikroskopisk partikelfysik lika viktiga & förenade kvantgravitation viktig, krävs för att vi skall förstå denna era strängteori??? Onåbara energier för partikelacceleratorer ( 10 20 GeV ) Universum börjar expandera och därmed svalna 7 / 21

GUT eran, 10 43 s 10 36 s 10 43 s symmetrbrott: gravitation och mikroskopisk fysik separeras Homogen soppa : karakteristikor som massa, laddning, etc. meningslösa Oregelbundenheter: kvantfluktuationer Temperatur minskar från 10 32 K till 10 27 K Nytt symmetribrott vid 10 36 s fasövergång: GUT elektrosvag teori + stark vxv ev. supersymmetrisk version meningsfullt tala om färg ev. Baryogenesis: assymmetri mellan materia och antimateria skapas då tunga GUT partiklar sönderfaller fasövergång initierar inflation 8 / 21

Kosmisk Inflation 10 36 s 10 32 s Inflation: hypotesen att expansionen exploderade under en kort tidsperiod Motivation: problem med Big Bang modellen Platthetsproblemet Horisontproblemet Magnetiska monopolproblemet Alan Guth [1980] Ses som konsekvens av att universum ej befinner sig i vakuumtillståndet 9 / 21

Inflation Platthetsproblemet Ω = ρ/ρ c, ρ c 10 26 kg/m 3 Ω = 1: universum är platt Ω > 1: universum är positivt krökt Ω < 1: universum är negativt krökt Avvikelser från Ω = 1 förstärks med tiden oerhört osannolikt att ρ = ρ c just idag vårt observerade universum väldigt nära platt Inflation: varje krökt yta ser nästan platt ut om vi blåser upp den drastiskt 10 / 21

Inflation Platthetsproblemet Ω = ρ/ρ c, ρ c 10 26 kg/m 3 Ω = 1: universum är platt Ω > 1: universum är positivt krökt Ω < 1: universum är negativt krökt Avvikelser från Ω = 1 förstärks med tiden oerhört osannolikt att ρ = ρ c just idag vårt observerade universum väldigt nära platt Inflation: varje krökt yta ser nästan platt ut om vi blåser upp den drastiskt 10 / 21

Inflation Horisontproblemet De mest avlägsna delarna av universum har endast nyligen blivit tillgängliga för oss (hamnat innanför vår observationella horisont), hur kommer det sig att de delarna verkar ha samma egenskaper (temperatur, etc.) som vår del av universum? Inflation: innan inflation var dessa delar innanför vår horisont 11 / 21

Inflation Horisontproblemet 12 / 21

Inflation Monopolproblemet I en storförenad teori förväntas produceras magnetiska monopoler, tunga och många, men vi har inte observerat några Inflation: under inflationen sprids eventuella monopoler väldigt glest, så glest att det är högst tänkbart att vi inte observerat någon 13 / 21

Elektrosvaga Eran 10 36 s 10 12 s 10 32 s: inflationen avtar Kvark gluonplasma med (fria) kvarkar (fria) gluoner leptoner W & Z bosoner, Higgsbosoner Massa & elektrisk laddning fortfarande ej meningsfulla Variationer i täthet: kvantfluktuationer som blåsts upp i storlek av inflationen 10 12 s: temperaturen har avtagit tillräckligt för ett nytt symmetribrott...det elektrosvaga symmetribrottet fasövergång: elektrosvag svag + elektromagnetisk vxv det blir meningsfullt att ge partiklar egenskaper som massa och elektrisk laddning W ±, Z 0 för tunga för att skapas spontant, de som finns sönderfaller snabbt 14 / 21

Kvarkeran 10 12 s 10 6 s Universum nu ett hett kvark gluonplasma Kvarkar & Leptoner har massa & laddning Temperatur & täthet för stora för att kvarkar och gluoner ska kunna bindas i hadroner 15 / 21

Hadroneran 10 6 s 1s Temperatur & täthet har sjunkit tillräckligt för att kvarkar och gluoner ska kunna bindas i hadroner (mesoner & baryoner) Universum består av ständigt skapade och förintade hadron antihadronpar ständigt skapade & förintade lepton antileptonpar + fotoner Mot slutet av epoken sjunker temperaturen så att hadron antihadronpar inte längre spontant kan bildas, kvarvarande antihadroner förintas och lämnar en rest av hadroner (framförallt protoner & neutroner) 16 / 21

Leptoneran 1s 10s Universum dominerat av (skapade & förintade) lepton antileptonpar Så småningom temperaturen för låg för att upprätthålla detta, antileptoner förintas och lämnar kvar liten rest av leptoner (framförallt elektroner & elektronneutriner) Universum nu p, n, e, ν e + fotoner n sönderfaller gradvis och lämnar överskott av protoner 17 / 21

Strålningseran 10s 380000år Universum domineras av fotoner Ogenomskinligt, fotoner sprids mot leptoner och hadroner 3min 20min: Big Bang Nukleosyntes temperaturen tillräckligt låg för att binda protoner och neutroner i 2 H kärnor (deuterium) 3 He, 4 He 6 Li, 7 Li Efter 20 minuter är temperatur & täthet för låga för fusion Massfördelning: protoner 76% 4 He kärnor 23% 2 H, 3 He, 7 Li 0% Från 70000år: täthetsvariationer i materian kan förstärkas p g a gravitationell attraktion början till strukturbildning (först kall mörk materia) 18 / 21

Rekombination 380000år Temperaturen nu så låg att elektroner kan bindas till atomkärnor i atomer Resultat: Väte och Helium (+ spårämnen) Materian elektriskt neutral fotoner kan färdas utan att spridas, universum genomskinligt Fotonerna frikopplas från materian, bildar kosmiska bakgrundsstrålningen (CMB) 19 / 21

Strukturbildning Variationerna i CMB återspeglar täthetsvariationer hos materian 380000år efter Big Bang Gravitationen nu för första gången den dominerande vxv för universums utveckling Ger upphov till storskaliga strukturer: galaxer, galaxhopar, superhopar 20 / 21

Vad känner vi inte till? Vad driver inflationen? antages vanligtvis vara en (skalär) partikel i en storförenad teori vilken partikel? hur ser detaljerna för inflationen ut? Vad består den mörka materian av? supersymmetriska teorier ger vissa lämpliga kandidater kanske kosmologiska & partikelfysikaliska experiment kan besvara detta Exakt vilken vakuumenergi ger upphov till den kosmologiska konstanten? 21 / 21