Partikkelfysikk og Astrofysikk forener krefter og bidrag til svar på åpne spørsmål om Universets fødsel og utvikling

Transkript

1 Partikkelfysikk og Astrofysikk forener krefter og bidrag til svar på åpne spørsmål om Universets fødsel og utvikling La meg starte med en kort beskrivelse av naturens minste bestanddeler Bergen Rotary, 8. november, 2017 Egil Lillestøl Egil Lillestøl, CERN & Univ. i Bergen, Bergen nov, Bestanddelene av vanlig materie Elektroner (10-18 m ) se Stabil materie: to kvarker, up,down eller u,d, med ladninger +2/3 og -1/3; og to leptoner, ett elektron, e - med ladning -1, og et nøytralt nøytrino ν (+ antipartikler) Men naturen har bestemt seg for å lage to tyngre kopier av disse fundamentale partiklene! Atom Atomkjerne nukleon quark (q) (protoner og nøytroner) Hvorfor??? m m m m Egil Lillestøl, CERN & Univ. i Bergen, AaSU,

2 Den indre strukturen av protoner og nøytroner er studert ved å bombardere dem med høyenergetiske elektroner eller myoner. Lage materie fra Energi (E = Mc 2 ) som i Big Bang: Men i slike eksperimenter dannes det nye partikler som ikke var en del av de bombarderte partiklene Vi observerer med andre ord partikler som er dannet fra kollisjonsenergien etter Einsteins berømte formel E = Mc 2 Mange av disse partiklene er adskillig tyngre enn protonene eller nøytronene og har ofte uhyre korte levetider. Har disse partiklene betydning for prosesser i dagens univers, eller har de evt hatt betydning for universets utvikling fra Big Bang (neste slide) og til idag? Dette er partikkelfysikkens domene og er en viktig motivering for eksperimentene på CERN. Kfr neste slide 5 Illustrasjon av eksperimenter på CERN der partikler som protoner akselereres opp til ekstreme energier og kolliderer front mot front inne i kjempe-detektorsystemer, eller tilsvarende kollisjoner mellom elektroner og anti-elektroner (positroner) 6 luft-foto av CERN-laboratoriet Artist-skisse av den 27 km LHC ringen og ATLAS eksperimentet 7 8

3 1232 supraledende dipolmagneter nedkjølt til 1.9 K ( o C)(*) og som setter oppe et magnetfelt på 8.33 T vinkelrett på akselerator-planet the ATLAS experiment, a few slides: 9 10 Animasjon av en LHC proton-proton kollisjon som danner et myon-antimyon-par i ATLAS detekoren En viktig observasjon fra tallrike eksperimenter: På den ene siden: Når energi går til nye partikler, er det alltid nøyaktig like mange partikler som antipartikler På den andre siden: Universet inneholder ingen antimaterie Derfor spørsmålene: Hvor ble det av antimaterien? evt tyder dette på en inkonsistens i våre observasjoner eller våre teorier? 11 12

4 Jeg gjør et hopp bakover i tiden og starter med Isac Newton ( ) Naturkreftene I første omgang litt om gravitasjon, og elektromagnetiske krefter med Newton kontra Maxwell (partikler kontra bølger og elektromagnetisme) Einsteins geniale konflikt-løsninger med relativitets - teoriene Planck med varmestråling De fleste skoleelever har fått med seg at Newton for over 300 år siden hadde formulert en universell teori for gravitasjonskraften, som fortsatt er gyldig i dag (om vi ser bort modifiseringer basert på Einsteins generelle relativitetsteori ) I tillegg til gravitasjonskraften kjente man også til magnetiske og elektriske krefter, og som også var nøyaktig beskrevet matematisk. Newton var også en overbevisende advokat for oppfattelsen at lys består av partikler og IKKE av bølger før vi tar for oss de to andre naturkreftene, sterke og svake kjernekrefter som regjerer i mikroverdenen 13 Isac Newton ( ): Rommet er som en veldefinert, tom scene, med tiden som flyter med konstant fart fra skapelsen til verdens ende, og der aktørene spiller skript som er skrevet av naturen og de naturlige fenomenene 14 Newton argumenterte for at lys består av partikler, (ingen anelse om hastighet - kanskje uendelig!) Som Cambridge-professor, var Newton mer eller mindre nødt til å tro at Jorden var skapt for 6000 år siden. Mens Charles Darwin ( ), som baserte seg på sin evolusjonsteori hevdet at Jorden måtte være flere hundre millioner år gammel Den høye alderen var støttet av Alexander von Humboldt ( ), den største vitenskapsmann og oppdagelsesreisene til alle tider, og forfatter av mangebinds-verket Cosmos der han tar sine lesere med på en reise fra det ytre rommet til Jorden, og der han betrakter Jorden som én levende organisme (Gaia-hypotesen) (se: ) men dette ledet til et sort mysterium: Hvordan kunne solen brenne så lenge? Se diskusjonen av sir William Thomson = lord Kelvin, mannen bak Kelvin temperaturen, på:

5 Men så kom Maxwell inn på arenaen Maxwell mente at magnetiske og elektriske krefter var to sider av en og samme kraft - en elektromagnetisk kraft. I 1864 klarte han å kombinere de matematiske formuleringene av elektriske og magnetiske felt og oppdaget at kombinasjonen var en bølgeligning der de allerede kjente konstantene for disse feltene kombinerte til en konstant som var hastigheten til denne bølgen. Jeg kan tenke meg Maxwells overraskelse når han oppdaget at denne hastigheten kunne stemme med lysets hastighet, og at han derfor hadde vist at lys var en elektromagnetisk bølge. MEN det var opplest og vedtatt at en bølge trenger et medium den kan forplante seg gjennom, og det ble derfor antatt at verdensrommet var fylt opp av en substans, en slags usynlig eter. Dette førte til en mengde eksperimenter for å påvise denne substansen og finne dens eventuelle egenskaper. Tallrike forsøk på å finne jordens hastighet gjennom denne Eteren ga et null -resultat, man fant ingen Eter, og lysets hastighet relativt til Jorden var den samme enten jorden beveget seg mot eller fra lyset. Se mer om Michelson-Morley eksperimentet på: Morley_experiment Dette eksperimentet er ofte kalt det mest forfeilte eksperimentet i vitenskapshistorien, men er også startpunktet for en ny vitenskapelig revolusjon, og som starter med Einsteins Spesielle Relativitetsteori, publisert i Einsteins utgangspunkt for den spesielle relativitetsteorien er postulatet at lysets hastighet i vakuum er uavhengig av hastigheten til måleutstyret (observatøren), Spektakulært eksempel på Gravitationslinsing: Dette har som konsekvens at målinger av tid og lengde i et referansesystem i ro, vil være forskjellige i et referanse-system som beveger seg. Eksempel: for en person i et romskip vil tiden løpe langsommere enn for en person i ro!!!! I 1915 tok Einstein dette ett steg videre med sin Generelle Relativitetsteori der også garvitasjons-effekter er inkludert. Denne teorien hevder at lys blir avbøyd av tunge himmel-legemer. Dette ble bevist i 1919 da det ved en solformørkelse ble observert at lys fra fjerne stjerner ble avbøyd nå det passerte like i nærheten av solen. (Se neste slide) Den Generelle Relativitetsteorien hevder også at tiden går langsommere i et sterkt gravitasjonsfelt (GPS-eksempel på egen slide) 19 20

6 GPS De ultra-presise klokkene på GPS satelitter som beveger seg med ca. 4 km/s ca km over bakken vil i henhold til den spesielle relativitetsteorien gå langsommere en klokker på bakken med en tidsforskjell på 7 µs pr døgn. Imidlertid i det svakere gravitasjonsfeltet i km høyde sier den Generelle Relativitetsteorien at klokkene vil gå raskere med en tidsforskjell på 46 µs pr døgn, slik at den totale tidsforskjellen utgjør 39 µs pr døgn. Om denne effekten ikke var tatt med ville GPS-systemene vært totalt verdiløse Mer om den nylige oppdagelsen og animasjon av Gravitasjonsbølger på slutten av min presentasjon Den generelle realtivitets-teorien sier også at det skal være gravitasjonsbølger fra himmellegemer som roterer rundt hverandre, og jo tyngre disse himmellegemene er jo sterkere er disse bølgene Planck og litt mer om Einstein I 1900 publiserte Planck en helt presis og komplett teori for varmestråling der strålings-spekteret fra et såkalt svart legeme er gitt av bare en parameter, den absolutte temperaturen T av strålings-legemet. (Varmestråling kalles etter dette ofte Planck-stråling, og frekvens-spekteret kalles Planck-spekteret - mer senere) (*) Plancks teori er basert på antakelsen at varme-strålingen fra et svart legeme sendes ut ved diskrete frekvenser (kvanter) Intensitet Planck-stråling: en universell kurve varmestråling i vakuum: λν = c (lyshastigheten = 3 x 10 8 m/s) I 1905 forklarte Einstein den fotoelektriske effekten som antok at lys kommer i kvanta - eller oppfører seg som partikler. Så består lys av av partikler eller bølger? Nye observasjoner og teoretisk utvikling førte til en ny fysikk, kvantefysikk, som sier at lyset kan oppføre seg som partikler, og at partikler også kan opptre seg som bølger. (*) Kommentar om universell bakgrunnsstråling frekvens ν(=c/λ) 23 24

7 Planck-stråling: en universell kurve Intensitet temperaturen, T, den eneste parameteren Men etter hvert har vi oppdaget oppdaget at det finnes to andre naturkrefter, så derfor en kort oppsummering på neste slide frekvens ν(=c/λ) Naturkreftene, rangert etter styrke med den sterkeste først: 1. Den sterke kjernekraften eller bare den sterke kraften holder protoner og nøytroner sammen i atomkjernene og kvarkene bundet inne i protonene og nøytronene. Det er bindingsenergien til denne kraften som frigjøres i spalting av urankjerner, og ved sammensmelting av protoner til heliumkjerner i solens indre. 2. Den elektriske og magnetiske kraften (elektromagnetisme) som styrer elektronene i sine baner rundt atomkjernene, og binder atomer sammen i molkyler EN felles teori for alle naturens krefter 4 av de 5 naturkreftene forskjellige sider av en superkraft?? elektrisk kraft magnetisk kraft } elektromagnetisme Maxwell (1864) svak kjernekraft sterk kraft } GWS (1979 Nobel price) forutsier W og Z påvist av Carlo Rubbia (1984 Nobelpris) elektrosvak Higgs-partikkel (2013) } 3. Den svake kjernekraften som styrer forbrenningen i det indre av stjernene 4. Gravitasjonskraften som binder materien sammen og holder planetene på plass i solsystemet } supersymmetri (*) gravitasjon } Enhetskraft? (når??) 27 28

8 Supersymmetri-teorien er meget tiltalende. MEN den forutsier eksistensen av supersymmetriske partikler som aldri er blitt observert direkte selv ikke i LHC-eksperimentene. F = ma: Mm mv = 2 r 2 r Siden slike partikler ikke er observert ved LHC, er det to muligheter: a) de eksisterer ikke (teorien er feil) b) eller de er for tunge til å bli produsert ved LHC Om de eksisterer, må den letteste av disse partiklene være stabil, og skulle ha vært produsert i store mengder i Big Bang 200km/s hastighet målt v = const r Dette er en meget interessant tanke siden disse partiklene, bare vekselvirker ved gravitasjon og er derfor ideelle kandidater for universets usynlige materie (*) forutsagt (*) usynlig (mørk) materie: neste slide avstand fra sentrum Ut i rommet = bakover i tiden Teleskoper kan se milliarder av lysår (ly)* ut i rommet = milliarder av år bakover i tiden Leting etter supersymmetriske partikler er en del av forskningen ved CERN Dette betyr at vi kan studere universets historie i sann tid. Kosmisk rødskift: Lys som beveger seg gjennom verdensrommet øker sine bølgelengder i direkte proporsjon med universets utvidelse Dette betyr igjen at om vi kjenner universets ekspansjonsrate, kan rødskiftet av lyset fra fjerne stjerner og galakser brukes til til å beregne avstanden til disse galaksene/stjernene (*) lysets hastighet: km/s eller 3x10 8 m/s (ett år 3.15x10 7 s, 1 lysår (ly) m) 31 32

9 Hubbleteleskopet 2016 Vi vet i dag at det observerbare Universet består av: 100 milliarder (10 11 ) gallakser, hver med 100 milliarder(10 11 ) stjerner, eller totalt stjerner (*) Dette er imidlertid mindre enn 5 % av det totale energiinnholdet av Universet, der resten består av 72% av en ukjent form for energi og 23% usynlig materie, (CDM, Cold Dark Matter ) også ukjent. Vi vet også at universet ikke inneholder antimaterie, og at alt dette oppsto i Big Bang for ca milliarder år siden 11 dagers eksponering, mer enn galakser, der de eldste/fjerneste er mer enn 13 milliarder lysår fra Jorden (*) materie = matter på engelsk, kan også bruke stoff på norsk Big Bang Like etter Big Bang Vårt Univers startet for 13.8 milliarder (13.8 x 10 9 ) år siden, og kanskje fra ingenting 10cm (*)?????????? Slutten på inflasjonsperioden (en periode med uhyrlig rask ekspansjon) Universet er nå s gammelt og temperaturen K Materie fra Energi : E = Mc 2 (*) legg merke til at lyset bare kunne ha gått m i s 35 36

10 Universet ved tiden, t = 200 s : } Plasma protoner (= hydrogenkjerner) alpha-partikler (= heliumkjerner) elektroner nøytrinoer fotoner (= elektromagnetisk stråling) gravitasjon frem til tiden t = år etter big bang: plasma av kjerner, elektroner og elektromagnetisk stråling (= varmestråling) Ukjent: mørk materie-partikler mørk energi Universet fra tiden t = år: Nøytrale atomer som Hydrogen og Helium, nøytrinoer, elektromagnetisk stråling (CMB*), gravitasjon, + eventuellt ukjent mørk (usynlig) materie og energi (*) CMB Cosmic Background radiation (mikrobølgestråling) som kan studeres i dag) Rekombinering år etter Big Bang: varmestrålingen slipper fri og vil fra dette tidpunktet bre seg tilnærmet fritt gjennom unverset Siden da har denne varmestrålingen spredt seg gjennom universet og med bølgelengder som har økt i takt med universets utbredelse. Økende bølgelengder betyr at strålingen svarer til lavere og lavere temperaturer. Men siden alle bølgelengdene øker i samme takt, vil bølgespekteret bevare sin form. Dette betyr at vi skulle forvente å observere denne strålingen som en mikrobølgestråling som ankommer jorden uniformt fra alle himmelretninger. Og siden universet er blitt over 1000 ganger større siden strålingen slapp fri, skulle strålingen nå svare til en temperatur på litt under 3 grader celsius og viktigst: en eventuell struktur i denne strålingen vil forteller hvordan materie og stråling var fordelt i universet år etter B.B

11 Starten på reisen for CMB, den siste spredningsflaten ( år etter Big Bang) CMB Cosmic Background Radiation Kosmisk bakgrunnstråling (= mikrobølgestråling i bølgelengdeområdet for radar gjennomståler hele Universet, og kan ses som støy på TV Oppdaget i 1964 av Penzias og Wilson i 1964 Oppdagelsen, som ble belønnet med Nobelprisen i 1978, er en solid bekreftelse på Big Bang-hypotesen, og er senere studert i detaljs i tre satellitt-eksperimenter: COBE (i bane fra 1989) WMAP (2001 til 2009), avløst av Planck (2009 til 2013) Lydbølger fra tetthets-svingninger oppstår i plasmaet like før strålingen slipper fri Så la oss se nærmere på strukturen i denne bakgrunnstrålingen 43 44

12 COBE: CMB ved forskjellig vinkeloppløsning og filtrering Ved tiden år opphører plasmaet å eksistere, strålingen slipper fri og musikken stopper. Siden da har et øyeblikksbilde av de siste tonene spredt seg gjennom det ekspanderende universet som elektromagnetisk stråling med stadig økende bølgelengder inntil de når frem til oss 13.8 milliarder år senere. Strålingen er isotropisk innenfor en titusende-del Akkordene fra de siste tonene er bevart, men med bølgelengder som alle er multiplisert med en faktor 1100 (som er så mye universet har utvidet seg siden da) Dipol (doppler effekt): jorden, solsystemet og melkeveien beveger seg gjennom verdensrommet Musikken kan studeres idag ved å observere tetthets-variasjonene i bakgrunnstrålingen (neste slide) 45 Melkeveiens sentralplan er synlig 46 CMB temperatur-fluktuasjoner 10-4 K WMAP Temperatur-variasjoner, kimene til de første strukturene i universet PLANCK Hawking: disse fluktuasjonene måtte være der som kimen til de store strukturene (stjerner og galakser) i dagens univers 47 48

13 Kosmisk Symfoni som den ble fremført i universet like før t = år og som nå registrert av Planck Planck-målingene (2015) forteller oss at: Universets alder: CMB- temperaturen: x 10 9 år K Universets sammensetting: Mørk (usynlig) energy (ukjent): 68.3% Mørk (usynlig) materie (ukjent): 26.8% Normal materie ( kjent ): 4.9% De første galaksene og stjernene (se f.eks: og ) De første kjempe-stjernene endte sine korte og hektiske liv i gigantiske supernova-eksplosjoner etter bare noen millioner år, (neste slide) Den mørke materien, som var ujevnt fordelt i det tidlige universet, trakk til seg annen materie, som stort sett besto av hydrogen og helium. Uten de andre tyngre elementene måtte det konsentreres minst hundrede ganger mer materie enn i vår egen sol før hydrogenet i sentrum av disse stjernene begynte å fusjonere og produsere energi. Universet er på dette tidspunkt noen hundre millioner år gammelt, men det tok enda en milliard år før det begynte a dannes gallakser Det var i slike stjerner de tyngre elementene ble dannet, og som deretter ble spredt utover i universet og samlet i nye stjerner og planeter som jorden. Disse annen-generasjons stjernene er både mindre og lever lenger enn de første stjernene. F.eks har solen en levetid på 10 milliarder år, noe som gir muligheter for liv til å utvikle seg på en planet med de ellers riktige betingelsene

14 Supernova-eksplosjon Vi er alle barn av disse sjernene Disse annen-generasjons stjernene er både mindre og lever lenger enn de første stjernene. F.eks har solen en levetid på 10 milliarder år, noe som gir muligheter for liv til å utvikle seg på en planet med de ellers riktige betingelsene Universets historie på to slides 55 56

15 sekunder etter big bang Nå dannelse av stjerner og galakser hvorfor klumper materien seg? Nøytrale atomer dannes, og kosmisk varmestråling (CMB) frigjøres Atomfysikk kaldere usynlig materie og ukjent energi må legges til! Kjernefysikk protoner, neutroner og alpha-partikler dannes antimaterien forsvinner (kjerne- og partikkel-fysikk) studert i LHC-ekserimentene(CERN) Materiedannelse og destruksjion varmere Big Bang Inflasjonen stopper og normal ekspansjon starter Mer om Gravitasjon Etter denne slide vil jeg vise en kort film om oppdagelsen av GRAVITASJONSBØLGER Men før det: Etter å ha utviklet den generelle relativitetsteorien hevdet Einstein at det vi opfatter som et tomt rom egentlig er Gravitasjon, Rom + Tid = Gravitasjon og at rommet derfor kunne forstyrres av tunge objekter (f.eks. sorte hull) og som beveger seg i forhold til hverandre, slik at det dannes gravitasjonsbølger Gigantisk ekspansion (Inflasjon) - Opprinnelse av Strukturer 57 Take a look at: and here is a Gravitational wave animation and its detection by LIGO: 58 Solsystemet passerer gjennom galakseplanet hvert ca. 32 millioner år (vent på Gaia-satelittens observasjoner) Kan en konsentrasjon av mørk materie midt i planet forstyrre solsystemet slik at asteroider slås ut av sine baner? See also Brian Greene s 1 hour show on:

16 En asteroide mer enn 10 km diameter slår ned på Yucatan for ca 65 millioner år siden der byen Chicxulub ligger i dag. Energien i nedslaget svarer til mer enn 100 millioner atombomber og førte til utryddelse av dinosaurene og alle landdyr større enn rotter Chicxulub-krateret idag under havoverflaten har en diameter på vel 180 km eller et areal større enn km 2 større enn Rogaland +Hordaland tilsammen (