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

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

Kosmologi - läran om det allra största:

Kosmologi - läran om det allra största:

Edwin Hubbles stora upptäckt 1929

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

Kosmologi. Ulf Torkelsson Teoretisk fysik CTH/GU

Kosmologi efter elektrosvagt symmetribrott

Introduktion till Kosmologi

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Universums uppkomst: Big Bang teorin

Mörk materia och det tidiga universum Joakim Edsjö Stockholms Universitet

Universums tidskalor - från stjärnor till galaxer

Strängar och extra dimensioner

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

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

Sett i ett lite större perspektiv

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

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

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

Astronomi. Vetenskapen om himlakropparna och universum

Milstolpar i tidig kvantmekanik

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

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

En rundvandring i rymden

Nobelpriset i fysik 2006

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Dessa egenskaper hos bakgrundsstrålningen har observerats

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

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

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

Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 1, Bengt Edvardsson

Upptäckten av gravitationsvågor

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

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

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

Tomrummet Partikelfysik 2008 av Josef Kemény

Science Night Rymden nu och framåt Aktuell forskning om rymden som utgångspunkt för intresseskapande fysik.

Instuderingsfrågor Atomfysik

Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

1.5 Våg partikeldualism

Partikelfysik och Kosmologi

Ett expanderande universum Ulf Torkelsson

Välkomna till Kvantfysikens principer!

Från Universums utveckling

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

III Astropartikelfysik och subatomär fysik

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

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

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

Från Big Bang till universums acceleration

Kurs PM, Modern Fysik, SH1011

Kommer sig osäkerheten av att vår beskrivning av naturen är ofullständig, eller av att den fysiska verkligheten är genuint obestämd?

DE SJU SYMMETRISKA UNIVERSUM. Ahmad Sudirman

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

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

Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

Lokal pedagogisk plan

som kosmiska budbärare

Universums mörka hemlighet

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

Fysik TFYA86. Föreläsning 10/11

101-åringen som klev ut ur teorin Om gravitationsvågor (2016) och Einsteins allmänna relativitetsteori (1915)

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

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

Information om kursen

Universums expansion och storskaliga struktur Ulf Torkelsson

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

Litet quiz om svarta hål och kvantfysik: facit på www2.kau.se/tp/outreach Nedanför quizzet ger jag facit. Men försök själv först!

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!

FÖR DE NATURVETENSKAPLIGA ÄMNENA BIOLOGI LÄRAN OM LIVET FYSIK DEN MATERIELLA VÄRLDENS VETENSKAP KEMI

Einstein's Allmänna relativitetsteori. Einstein's komplexa Allmänna relativitetsteori förklaras så att ALLA kan förstå den

LÖSNING TILL TENTAMEN I STJÄRNORNA OCH VINTERGATAN, ASF010

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Stora namn inom kärnfysiken. Marie Curie radioaktivitet Lise Meitner fission Ernest Rutherford atomkärnan (Niels Bohr atommodellen)

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

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Det finns något där ute i universum, något som är. Mörk materia att mäta något man inte kan se. aktuell forskning. av Elin Bergeås Kuutmann

Översiktskurs i astronomi Lektion 7: Solens och stjärnornas energiproduktion samt utveckling

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

Introduktion till galaxer och kosmologi (AS 3001)

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Universum. en symfoni i skönhet och elegans

Från nebulosor till svarta hål stjärnors födelse, liv och död

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

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

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

MATTIAS MARKLUND GRUNDLÄGGANDE FYSIKFORSKNING OCH MILITÄRFORSKNING

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Forskningsmetodik 06 lektion 1

Astronomi. Hästhuvudnebulosan. Neil Armstrong rymdresenär.

Dramatik i stjärnornas barnkammare av Magnus Gålfalk (text och bild)

Vi ser Vintergatan som ett dimmaktigt bälte över himmelen.

1 Hur förklarar du att det blev ett interferensmönster i interferensexperimentet med elektroner?

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

Astronomi, kraft och rörelse

Transkript:

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

Genom alla tider har människor intresserats sig för universums och materiens uppbyggnad + kanske ett femte element, kvintessensen? Empedokles 490 434 f Kr

G runden för den moderna fysiken: kvantmekanik och relativitetsteori Bohr Einstein Vid partikelkollisioner nyskapas materia! (E = mc 2 )

Standardmodellen för partiklarna resultatet av 100 års experimenterande och tankemöda http://particleadventure.org

Den ledande idén är att nästa nivå utgörs av strängar med en storlek av 10-33 m (Planck-längden). Strängarna lever i fler dimensioner än de 3 + 1 vi människor kan uppfatta. (En idé som föddes redan på 1920-talet av den svenske teoretiske fysikern Oskar K lein.) http://www.triumf.ca Förutsägelse: det borde finnas nya, supersymmetriska partiklar. De kan ha skapats vid Big Bang och kan utgöra universums s k mörka materia!

AT L AS-experimentet vid C E RN kommer år 2010 efter ett par år med tekniska problem - att kunna återskapa förhållandena i universum en hundramiljarddels sekund efter Big Bang. Sverige och Stockholm är med! AT L AS-detektorn under uppbyggnad

Lite kvantmekanik: Max Planck 1899: Ljus skickas ut i energipaket, kvanta. Louis De Broglie 1924: Partiklar har också vågegenskaper. Erwin Schrödinger 1926: Vågekvation för partiklar, Schrödingerekvationen. Heisenberg 1927: Läge och hastighet kan inte samtidigt mätas! (Osäkerhetsrelationen.)

Lösningar till kvantmekanikens Schrödingerekvation för en partikel instängd i en låda E 2 Förklarar bl a: E nergins kvantisering A tomernas stabilitet M ateriens inkompressibilitet E 1 Linjespektrum E 0

E 1 E 2 E 3 E 4 V äteatomen: Coulomb-potentialen Q1Q2 V ( r) r ger E n 13.6 ev 2 n

Olika grundämnen ger olika fingeravtryck (linjespektrum). K an användas bl a för att mäta halten av giftiga ämnen i Stockholmsluften. Gaslågor får olika färg om olika salter tillsätts (Bunsenbrännare). Detta är också principen bakom fyrverkeriets olika färger!

Hubbles fantastiska upptäckt på 1920-talet: Spektrallinjerna för avlägsna galaxer är rödförskjutna, och rödförsk jutningen ökar med avståndet till galaxen

kort våglängd: blått ljus lång våglängd: rött ljus Bästa förklaringen (byggd på Einsteins allmänna relativitetsteori) är att universum expanderar och ljusvågorna dras ut när de färdas. Rödförskjutningen är då lika med universums storlek vid observationen dividerat med universums storlek vid utsändandet av ljuset.

Hubbles lag Hastighet som galaxen rör sig bort med, v H d v Varje punkt representerar en galax Avstånd till galaxen, d Värde på H: 20 km/sek per miljon ljusår Modern tolkning (byggd på Einsteins allmänna relativitetsteori): Hela universum sväller (expanderar)

Tyngre grundämnen (kol, kväve, syre, kalcium, järn,..) sätts ihop i det inre av stjärnor fusion Men de utgör bara någon procent av massan Vissa tunga stjärnor exploderar som supernovor (ju tyngre desto snabbare en stjärna med 25 solmassor efter ungefär 10 miljoner år) Av gasen, berikad med tyngre grundämnen, kan nya stjärnor och planeter bildas vi är alla gjorda av stjärnstoft!

Big Bang-modellen är falsifierbar (viktigt för en naturvetenskaplig teori) E xempel: Universums ålder Hubble-expansionen baklänges ger Å = 13-14 miljarder år Radioaktiv datering ( kol-14- metoden men med andra isotoper uran och torium) stämmer med detta Åldern hos de äldsta stjärnorna är ungefär 12-13 miljarder år N. Dauphas, Nature, 2005

Den djupaste bilden med H ubble-teleskopet:

C O B E-satelliten (1992) Osäkerheten i mätpunkterna är mindre än den teoretiska kurvans tjocklek! Ljuset från Big Bang! Planck-kurvan (temperaturstrålning, T = 2.728 K) är ett bevis för att universum har varit upphettat och hoppressat.

Nobelpriset i fysik 2006 John M ather G eorge Smoot C O B E för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningens svartkroppsform och dess anisotropi.

Kosmiska bakgrundsstrålningen ekot från Big Bang COBE FIRAS T = 2.73 K Planckkurvan (Max Planck, Nobelpriset 1918) Planck-kurvan betyder att universum har varit upphettat och hoppressat ljuset från Big Bang!

Observationer i ett expanderande universum: Tiden = 0, Big Bang. Här var temperaturen c:a 3000 grader Ljusvågorna sträcks ut under färden blir mikrovågor Utveckling enligt Einsteins (Nobelpriset 1921) allmänna relativitetsteori, testad bl a genom dubbelpulsaren (Hulse and Taylor, Nobelpriset 1993). Samband mellan inhomogeniteter och temperaturvariationer: Sachs och Wolfe, 1967 Ill: Hans Nilsson/Lars Bergström 13,7 miljarder år (WMAP 2003) Under de första minuterna bildades lätta grundämnen (76 % väte, 24 % helium, spår av deuterium och litium)

Bilden på universum som baby (380 000 år efter Big Bang) Universum var då i stort sett en homogen (jämn) ursoppa Ett dipolmönster uppstår på grund av vår rörelse genom rymden! Små ojämnheter (någon del på hundra tusen) kan vara fröna till våra galaxer! C O B E-satelliten 1992

Från föredrag av George Smoot 1997: Finns det struktur i bakgrundsstrålningen? Inte lätt att se med de data som fanns då

Tog data från januari 2002 första datamängden presenterades i februari 2003. I mars 2006 kom 2:a och 3:e årets data, och 2008 kom 5-årsdata. Ny satellit skickades upp: W M AP Wilkinson M icrowave A nisotropy Probe

W M AP, 2008

Med data från W M AP går det att fastställa värdet på många parametrar: Det finns 4-5% Vanlig materia Det finns 22-24 % mörk materia Det finns 70-75 % mörk energi Universum är 13,7 miljarder år gammalt Universum genomgick troligen en epok av inflation första bråkdelen av en sekund efter Big Bang

Nytt januari 2008: Nya data från ACBAR (markbaserat instrument)

380 000 år efter Big Bang: rödförsk jutningen = 1100 De mörka åren, rödförsk jutningen stör re än 20 De första stjärnorna och små galaxer, rödförskjutningen = 5-15, många supernovor Stora galaxer och galaxhopar, rödförskjutningen = 1-3, aktiv stjärnbildning Dagens universum, rödförskjutningen = 0. Stjärnbildningen har avtagit.

Superdatorberäkningar av galaxfördelningen stämmer perfekt med observationerna men bara om det finns mörk materia! Springel, F renk & White, 2006

Mysteriet med den mörka materian i universum Rotationskurva för galaxer Röntgenstrålande galaxhopar NED/STScI; E. Corbelli & P. Salucci (1999) Galaxhop 3C295 (Chandra)

Galaxhopar böjer av ljuset från bakomliggande galaxer gravitationslins beräkningar visar att minst 80 % av massan måste vara mörk (dvs osynlig)

Två kolliderande galaxhopar. Bilden tagen med Chandra-teleskopet (Röntgenbild!). Det blåa är mör k materia, det röda vanlig materia Nytt augusti 2006: Bildbevis på mörk materia!

Genom gravitationlinsning går det att ge en bild av hur den mörka materien fördelar sig i rymden (området omfattar miljoner galaxer!) COSMOS-projektet, Hubbleteleskopet,NASA, 2008

Vad är den mörka materian? Neutriner? Har massa (visat av experimentet Super-K amiokande i Japan), men den är inte tillräckligt stor för att förklara mer än någon procent av den mörka massan. Svarta hål? K an observeras indirekt. Den samlade massan räcker inte alls. Axioner? Endast en smalt massintervall möjligt experiment pågår. Supersymmetriska partiklar? M est lovande experiment pågår och planeras. Något helt annat?

Samarbete USA-F rank rike-italien- Sverige-Japan, sk jöts upp juni 2008 Datorgenererad fördelning som förväntas om den mörka materien utgörs av supersymmetriska partiklar. (Data tas just nu, kan presenteras om något år.)

Fermi fist light map

Via Lactea simulation (J. Diemand & al, 2006) 46

I de flesta modeller för mörka materia kan både partiklar och antipartiklar bildas när 2 mörkmateria-partiklar träffas på varandra (annihilation). Eftersom universum bara tycks bestå av materia, kan detta vara ett bra sätt att söka mörk materia: Det borde uppstå ett (litet) flöde av antimateria, t ex av positroner, som är antipartikel till elektronen. Oktober 2008: Experimenten PAMELA (med deltagande här ifrån AlbaNova) och ATIC tycker sig se en sådan signal! Den vetenskapliga metoden: Acceptera inte experimentella data omedelbart. Oberoende bekräftelser krävs. Sådana kommer, t ex från Fermi-satelliten (inom några månader). Om resultaten står sig, finns det eventuella andra tolkningar?

Nature, November 19, 2008 ATIC: Ballongexperiment som mäter summan av elektroner och positroner HESS, Nov. 24, 2008 Är detta tecknet på den efterlängtade mörka materian?

Neutriner från solen