LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte?

Transkript

1 LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte? Faglig pedagogisk dag 29. oktober 2015

2 Oversikt Partikkelfysikkteori Standardmodellen Mørk materie Mørk materie og partikkelfysikk Hvordan se etter mørk materie? Mørk materie og LHC Hva har vi funnet ut så langt?

3 Partikkelfysikk Partikkelfysikk dreier seg om naturen på de aller minste størrelsesskalaer Målet i partikkelfysikk er å forstå hvilke elementære partikler som finnes, og hvordan disse vekselvirker med hverandre Nært knyttet til fysikk på de aller største størrelsesskalaer

4 Fundamentale krefter 4 fundamentale krefter: Sterk vekselvirkning (sterk kjernekraft) holder protonene og nøytronene i atomkjernen sammen Elekromagnetisk kraft holder elektronene i bane rundt atomkjernen, binder atomer sammen til molekyler,... Svak vekselvirkning (svak kjernekraft) ansvarlig for β-henfall Gravitasjon holder planetene i bane rundt solen, holder galaksene sammen,... 3 av 4 krefter beskrives av partikkelfysikkens standardmodell (ikke gravitasjon) Kreftene beskrives som utveksling av kraftpartikler

5 Elementærpartikler Materiepartikler spinn- 12 Kvarker Leptoner 3 generasjoner Kraftformidlende partikler spinn-1 Fotonet (elektromagnetisk kraft) Gluonene (sterk vekselvirkning) W ± og Z 0 (svak vekselvirkning)

6 Kvarkene Kvarkene opplever sterk vekselvirkning, de har sterk ladning, såkalt fargeladning Den sterke vekselvirkningen holder kvarkene sammen i hadroner Baryoner (tre kvarker) Mesoner (en kvark og en anti-kvark) Hadronene har ingen netto fargeladning

7 Kvarkene Den sterke kraften mellom kvarkene minker ikke tilstrekkelig med avstanden mellom dem En kvark kan aldri observeres alene vi ser kun fargenøytrale hadroner Fargefengsling ( colour confinement ) van der Waals-krefter når hadroner kommer nærme hverandre (som i atomkjernen)

8 Leptonene Leptonene er materiepartikler som ikke opplever sterk vekselvirkning (ikke har fargeladning) Elektronet og dets tyngre utgaver (myonet og tau-leptonet) har elektrisk ladning Nøytrinoene har ikke elektrisk ladning, og opplever dermed kun svak vekselvirkning (og gravitasjon) De er derfor svært vanskelige å detektere

9 Kraftformidlende partikler De tre kreftene som beskrives av Standardmodellen formidles av kraftformidlende partikler Fotonet (γ): formidler elektromagnetisk vekselvirkning er masseløst uendelig rekkevidde W ± og Z 0 : formidler den svake vekselvirkningen er massive (ca. 100 protonmasser) kort rekkevidde Gluonene: formidler den sterke vekselvirkningen er masseløse

10 Higgs-mekanismen Hvordan elementærpartikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

11 Higgs-mekanismen Hvordan partikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

12 Higgs-mekanismen Hvordan partikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

13 Higgs-mekanismen Hvordan partikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

14 Higgs-mekanismen Hvordan partikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

15 Higgs-mekanismen Hvordan partikler kunne ha masse var lenge et uavklart spørsmål i partikkelfysikken I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

16 Higgs-mekanismen oppdagelsen av Higgs-bosonet Den viktigste oppdagelsen i første runde med kjøring av LHC Eksperimentell bekreftelse av Higgs-mekanismen Englert og Higgs fikk Nobel-prisen

17 Mørk materie Stjerners banehastighet om galaksens senter kan beregnes som en funksjon av massefordelingen v = G M(r) r Lysende materie er ikke nok til å forklare dataene

18 Mørk materie eller ny teori for gravitasjon? G M(r) v =? r

19 Mørk materie eller ny teori for gravitasjon? G M(r) v =? r Virker umulig å forklare alle data med modifisert gravitasjonsteori

20 Mørk materie elementærpartikkel? To teorier for hva mørk materie er: Helt vanlig materie, bare ikke så veldig lys Mindre ansamlinger av materie, som planeter, brune dverger etc. MACHOs (Massive Compact Halo Objects) Elementærpartikkel med bare svak vekselvirkning WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) WIMPs er i dag sterkt teoretisk foretrukket

21 Mørk materie og Standardmodellen Kan mørk materie bestå av en elementærpartikkel vi kjenner til? (Nei...)

22 Mørk materie utover Standardmodellen Eksistensen av WIMPs kan motiveres i partikkelfysikken uavhengig av mørk-materie-problematikken

23 Universet slik vi ser det for oss idag Mesteparten av materien i universet er mørk!

24 Hvordan observere mørk materie? For å lære mer om hva mørk materie er, må vi observere disse partiklene via noe annet enn gravitasjon Tre fremgangsmåter: Indirekte: se etter spor fra annihilasjon av mørk materie ute i universet Direkte: plasser en stor detektor dypt nede i en gruve og vent... Collider : se etter produksjon av mørk-materie-partikler i høyenergetiske partikkelkollisjoner (LHC)

25 The Large Hadron Collider LHC Befinner seg på grensen mellom Sveits og Frankrike, 27 km omkrets, 100 m under bakken Akselererer protoner til en energi på 6.5 TeV, skal kunne nå 7 TeV 3.5 TeV og 4 TeV i forrige kjøring Protonene kollideres front mot front

26 Detektorer Må studere partiklene som kommer ut av en proton-proton-kollisjon for å lære noe av den Energier og bevegelsesmengder til utgående partikler må måles så nøyaktig som mulig, og partiklene må identifiseres Fire detektorer i hvert sitt kollisjonspunkt rundt LHC

27 ATLAS-detektoren Designet for a studere og søke etter mange forskjellige fenomener 25 m i diameter, 44 m lang

28 ATLAS-detektoren tverrsnitt

29 Hvordan se det usynlige mørk materie i ATLAS-detektoren En WIMP vil nødvendigvis ikke produsere målbare signaler i detektoren Bruk bevaring av bevegelsesmengde i planet vinkelrett på protonenes bevegelsesretning: p T + p T = 0 synlig usynlig usynlig p T = synlig Hvis noe går den ene veien, må det også være noe som går den andre veien p T

30 Hvordan se det usynlige Her er det ingenting som mangler

31 Hvordan se det usynlige Her er det definitivt noe som mangler mørk materie?

32 Søk etter mørk materie med ATLAS Prosedyre for å oppdage mørk materie med ATLAS/LHC: Se etter proton-proton-kollisjoner ( events ) der noe mangler (ET miss ) Lag et histogram av det som mangler Beregn bidrag til dette histogrammet fra velkjente prosesser (Standardmodell: ET miss = nøytrino) Se om data kan forklares av kun velkjente prosesser (hvis ikke har man oppdaget noe)

33 Søk etter mørk materie med ATLAS Hovedresultat: alt vi har sett så langt kan forklares med Standardmodellen (nøytrinoer) For øvrig: Resultater fra LHC er høyst komplementære til resultater fra direkte og indirekte søk

34 Oppsummering Standardmodellen for partikkelfysikk oppsummerer vår kunnskap om elementære partikler og fundamentale krefter Mesteparten av materien i universet er mørk, og ikke beskrevet av Standardmodellen Man forsøker å forstå hva slags partikkel som utgjør mørk materie ved direkte søk, indirekte søk, og med høyenergi-kollisjoner Ingen tegn til mørk materie i de første kjøringene av LHC, men spennende tider er i vente med nye data ved høyere kollisjonsenergi!