Partikelfysik, astrofysik och kosmologi. Universms minsta bestånselar Växelverkningar Några nya bevarae kvanttal Haroner, färglaning Big Bang: - Mikrovågsbakgrn - Universm expanerar - Kärninnehåll Framtia forskning. Va är et som vi inte vet?
Partikelfysik och Kosmologi Partikelfysik (Värlen enligt stanarmoellen) Materiepartiklar (spinn = ½ ): kvarkar och leptoner Leptoner ν e e Laning massa leptontal ingen < 3 ev/c 2 L e = + 1-1 511 kev/c 2 L e = + 1 pp ner Kvarkar M (GeV/c 2 ) 1.5-4,5 10-3 5-8,5 10-3 q +2/3-1/3 Bygger pp atomer ν μ μ ingen < 0.19 MeV/c 2 L μ = + 1-1 106 MeV/c 2 L μ = + 1 charm sär c s 1,0-1.4 0.08-0.155 +2/3-1/3 ν τ τ ingen < 18.2 MeV/c 2 L τ = + 1-1 1777 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 me motsatt laning
Antipartiklar Schröinger-ekvationen kan härleas r p 2 /2m + U = E me operatorer för p och E. Om vi relativistiskt tgår från E 2 =p 2 c 2 + m 2 c 4 (Klein-Goron), får vi negativa energilösningar. Dirac föreslog en annan linjär ekvation, men me matriser. Även enna leer till negativa energilösningar. Dirac förklarae essa som antipartiklar (1928). Dirac-ekvationen beskriver elektroner (och positroner). Positronen hittaes av Anerson 1933. e + e - sklle ha böjt åt etta håll Blyplatta. Avböjning efter energiförlst i blyplattan är kompatibel me elektron Varje materiepartikel har en antipartikel
Växelverkan Förmelas av tbytespartiklar Växelverkan Relativ styrka Utbytespartikel Verkar på Typisk sönerfallsti Stark ~1 Glon g kvarkar 10-22 10-24 Elektromagnetisk ~10-3 Foton γ Laae partiklar 10-16 10-21 Svag ~10-5 W ± och Z 0 Alla slags materiepartiklar 10-7 10-13 Gravitation ~10-38 Graviton??? Egenskaper hos tbytespartiklarna: Fotonen: Glonen: W ± och Z 0: masslös, spinn 1, olaa masslös, spinn 1, (har färglaning) har massa (W ± : 86 protonmassor, Z 0 97 protonmassor), spinn 1, W har elektrisk laning
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. (Detsamma som att antalet nkleoner i kärnreaktioner bevaras). 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
Feynmaniagram (enast krsivt. Kommer ej på tentan) 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 E t h/4π ( pga brott mot bevaranet) Exempel: e + e - sprining (Bhabha-sprining) ti e + e + Virtell foton ti e + e+ Kommentar: Boken ritar tisaxeln neåt, ock inte konsekvent. De flesta partikelfysiker ritar axeln åt höger!!! 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.
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 + +1 139,6 0 π - -1 139,6 0 K + s +1 493,7 0 K - s -1 493,7 0 K 0 s 0 497,7 0 K 0 s 0 497,7 0
Qantm Chromo Dynamics (QCD) Mysterim: varför följer spinn-3/2 partiklar som Ω - (sss) inte 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
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
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 400 000 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.
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 10-35 10-32 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!
Universm expanerar 1 + β Hastigheter kan mätas me Doppler-skift: λ = λ = λ(1 + Z ) är 1 β För små Z gäller Z β = v/c Z = 1 + β 1 1 β är röskiftet. 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 (bestäm ljsstyrka). (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 23 10-6 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
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 Ur D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxfor Univ. Press Ca 90% av niversms materia tgörs av mörk materia!!!!! Kan tgöras av spersymmetriska partiklar 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)
Stanarmoellen stämmer bra me et vi hittills har knnat mäta. Men. Vi måste förklara begreppet massa (W ± och Z 0 hög massa, γ och g masslösa) Higgs-mekanismen Ny partikel i moellen: Higgs-bosonen (H). Änn ej fnnen. Vi Large Haron Collier @ CERN hittas H eller motbevisas moellen. LHC startar 2007. 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! (Egentligen en symmetri mellan fermioner och bosoner, varje fermion har en boson-partner och tvärtom) Strängteori: allt är egentligen strängar i minst 11 imensioner, men alla tom 4 är hoprllae. (Spersymmetri finns som ett lågenergetisk elmäng i strängteori) Mörka materien vet vi egentligen inget om trots att et är en ominerane materieformen i niversm!! En möjlighet är en lättaste spersymmetriska partikeln, men vi vet inte ens om spersymmetri existerar!!! Energiinnehållet i niversm omineras av en kosmologisk konstant som vi oftast kallar mörk energi. Vi har inte en ssning om va etta är!!! (Nåja, några vila iéer finns: t.ex. gravitationell koppling i högre imensioner) Desstom: varför så många parametrar i moellen? (T.ex. partikelmassorna, kopplingsstyrkor mm) Två filosofier: Symmetrier vi hög energi bestämmer varför vår värl ser t som en gör. Antroposofiska principen: Alla vären är möjliga, men i en värl är vi existerar har parametrarna e vären vi mäter.
Forskning vi KTH: ATLAS-experimentet vi CERNs Large Haron Collier. Leta bl.a. efter spersymmetriska partiklar
Astropartikelfysik vi KTH: Bl.a. PAMELA Experimentet Sterar antimateria i kosmiska strålningen. (Kan komma från spersymmetri.) Resrs Dk1 Satellite 300-600 km