NUKLEOSYNTEZA I PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

Transkrypt

1 NUKLEOSYNTEZA I PROMIENIOWANIE RELIKTOWE Cieszyn, 17 Listopada, 2006 Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 1

2 Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana dwóm fizykom amerykańskim, otrzymali ją John Mather z NASA Goddard Space Flight Center oraz George Smoot z Lawrance Berkeley Laboratory Za wykrycie struktury i anizotropii w mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB) Na początku lat 90-tych misja satelity COBE ( Cosmic Background Explorer) dostarczyła bardzo oczekiwanych informacji o anizotropii promieniowania CMB. Otrzymaliśmy informacje o warunkach jakie panowały we Wszechświecie około lat po Wielkim Wybuchu. Obserwacje te usankcjonowały teorię Wielkiego Wybuchu i spowodowały, że Kosmologia stała się prawdziwą obserwacyjną nauką a przestała być filozofią opartą na wierze i nadziei. Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 2

3 Jak to wszystko jest zbudowane? Jakie są podstawowe składniki materii? Odpowiedzi udzielają: MIKROSKOPY dla obserwowania materii w małej skali np. LEP, Tevarton SuperKamiokaande. TELESKOPY -- pozwalające śledzić najdalsze zakamarki Wszechświata np. teleskop HUBBLA, COBE teleskop na La Silla (Atacama), VTL Cerro Paranal (Chile), radioteleskop Arecicibo w Puerto Rico, Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 3

4 Elementarne Składniki Materii- Kwarki i Leptony Cztery Żywioły, Demokryt z Abdery ( p.n.e.), John Dalton ( ), Ernest Rutherford ( ), Murray Gell-Mann (ur. 1929) oraz George Zweig, Sheldon Glashow, Abdus Salam oraz Steven Weinberg STANDARDOWY MODEL CZĄSTEK ELEMENTARNYCH Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 4

5 CO WIEMY O OTACZAJĄCYM NAS WSZECHŚWIECIE Klaudiusz Ptolemeusz ( n.e.), Mikołaj Kopernik ( ), Izaak Newton ( ), (system geocentryczny) (system heliocentryczny) Albert Einstein ( ) oraz Friedman, Edwin Powell Hubble ( ), (pierwszy model kosmologiczny) (Ogólna Teoria Względności, równanie Friedmana) (rozszerzający się Wszechświat, prawo Hubbla) George Anthony Gamow ( ) oraz Alpher i Herman, (pierwsza teoria nukleosyntezy) Arno Penzias (ur. 1933) oraz Robert Wilson (ur. 1936), (kosmiczne promieniowanie tła) KOSMOLOGICZNY MODEL STANDARDOWY Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 5

6 Tablica Kwarków i Leptonów Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 6

7 Standardowy model cząstek POZYTYWNE CECHY Wszystkie cząstki wykryte eksperymentalnie (bez cz. Higgsa), Bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem do energii 1000 GeV, Nie widać substruktury, Oddziaływania poprzez wymianę cząstek, PROBLEMY Pozostawia bez odpowiedzi szereg pytań, (np. problem masy,mechanizm spontanicznego złamania symetrii) Nie uwzględnia oddziaływań grawitacyjnych, Nie wiemy co się dzieje od energii 1000 GeV aż do skali Plancka. Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 7

8 Standardowy model kosmologiczny POZYTYWNE CECHY Najlepszy model Wszechświata jakim dysponujemy, Ekspansja galaktyk, Mikrofalowe promieniowanie tła, Pierwotna nukleosynteza Formowanie wielkich struktur. PROBLEMY Ciemna materia, Ciemna energia, Asymetria materia antymateria, Promieniowanie kosmiczne o wielkiej energii, Rozbłyski gama, Inflacja. Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 8

9 Co działo się zaraz po Wielkim Wybuchu? Związek pomiędzy energią i temperaturą: k T = E gdzie k stała Boltzmana k = 8.6 x 10 5 ev/1 0 K, Związek pomiędzy czasem i energią: 1 MeV kt = const t stąd ΔE = k (T + 1) k T = k/1 0 K, 1 0 K = 8.6 x 10 5 ev, K = 0.86 x 10 6 ev = 0.86 MeV, 1 GeV = 1000 MeV, 1000 GeV energia zderzenia pp w Batavii w Fermilab, Śledzimy eksperymentalnie Wielki Wybuch po t = sek 1000 GeV = K t = sek Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 9

10 Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 10

11 Po okresie Bariogenezy????? GeV K --- t = sek e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ 1000 oraz GeV --- u, 10 d, 16 0 K --- c, t = 10 s, -12 sek t, b e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ oraz u, d, c, s, t, b a także W +, W -, Z 0, γ, gluony, a także W +, W -, Z 0, γ, gluony nie ma równowagi cząstki- antycząstki rozpad i kreacja par Wszechświat rozszerza się maleje temperatura maleje energia zderzeń Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 11

12 2 E = 100 GeV K sek Elektrosłabe przejście fazowe Kwarki, leptony, cząstki W i Z nabywają masę, Te same cząstki co poprzednio ale już posiadające masę. E = 1 GeV K sek u, d, e +, e -, γ, ν e,ν e 3 E = 1 GeV K sek Rozpadły się ciężkie kwarki i leptony, u, d, e +, e -, γ, ν e, Powstają nukleony, nie ma swobodnych kwarków, p = uud, n = ddu Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 12

13 U d Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 13

14 ale n p + e - + ν, zmniejsza się liczba neutronów, n + e + p + ν, p + ν n + e + Jądra jeszcze nie powstają. 4 E = 1 MeV n + e +? p + ν, p + ν? n + e + E = 1 MeV K sek 0 K sek Reakcje zmiany n p przestają zachodzić, Neutrina zaczynają się zachowywać jak cząstki swobodne, 75 % protonów, 25% neutronów Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 14

15 5 E = 0.1 MeV K min Proces e + e - 2 γ zachodzi, proces odwrotny 2 γ e + e - już nie, Zaczyna się tworzyć deuter (D = pn) oraz tryt (T = nnp): n + p D, D + n E T = 0.1 MeV a --- także K D min + p 3 He 2,, Powstaje Hel i Lit: D + D 4 He 2, T + p 3 He 2, n + 3 He 2, 4 He 2 oraz 3 He He 2 7 Be 4 + γ 7 Li 3 + p, Nie istnieją stabilne jądra z A = 5 i A = 8, energia zbyt mała aby pokonać barierę kulombowską koniec pierwotnej nukleosyntezy, E Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 15

16 Wszystkie neutrony są włączone w jądra helu i trochę litu, Było 87% protonów i 13% neutronów, stąd 13% + 13% = 26% jąder helu oraz 74% protonów, Mamy dużo fotonów (miliard na każdy nukleon), Elektrony i jądra nie tworzą jeszcze atomów. Długi okres nic się specjalnego nie dzieje, dopiero gdy 6 E = 13.6 ev K lat Fotony przestają oddziaływać z jądrami i elektronami mikrofalowe promieniowanie tła, Mamy wodór oraz hel ( trochę deuteru, trytu, helu 3 litu). Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 16

17 Obecny Wszechświat wygląda trochę inaczej obserwujemy we Wszechświecie całą tablice Mendelejewa, (rozpowszechnienie pierwiastków) Wszystkie inne pierwiastki powyżej LITU powstały w gwiazdach Jak powstały gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk? na arenę wkracza oddziaływanie GRAWITACYJNE, Małe fluktuacje gęstości materii: COBE (1992) - pierwsze fluktuacje, WMAP (2003) - promieniowanie mikrofalowe nie jest izotropowe, Pierwiastki od litu do żelaza powstawały w gwiazdach, (energia wiązania na nukleon) Pierwiastki cięższe od żelaza powstawały w trakcie wybuchów supernowych. Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 17

18 Krzywa rozpowszechniania pierwiastków chemicznych Krzywa rozpowszechniania pierwiastków chemicznych wg Camerona (1973), w górze na prawo schematyczny kontur krzywej z zaznaczeniem lokalnych maksimów i minima Li-Be-B Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 18

19 Energia wiązania nukleonu Zależność średniej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon w jądrze w funkcji liczby masowej A jądra Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 19

20 Penzias i Wilson (1965) COBE WMAP (1992) (2003) ΔT/T = 10-5 Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 20

21 W 1974 roku G. Smoot przysłał do NASA projekt aby zmierzyć mapę CMB i poszukiwać tam odstępstw od jednorodnego rozkładu potrzebną dla potwierdzenia możliwości tworzenia galaktyk. Pod koniec lat 80 tych J. Mather budował spektrometr FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) a G. Smoot spektrometr DRM (Differential Microwafe Radiometer). W 1986 roku po wypadku Challengera, prace z wysłaniem satelity zostały wstrzymane. Muther przekonał NASA aby jednak wysłać satelitę z aparaturą badawczą. W Listopadzie 1989 COBE wystartował z FIRAS oraz z DRM. Pierwsze wyniki Mathera T = K. Później mapa nieba z DRM pokazała odstępstwa od izotropowego rozkładu z precyzją 10 ppm. Wskazywało to na możliwość tworzenia galaktyk i ograniczyło wiele różnych modeli rozpatrywanych wcześniej. Satelita COBE pracował do 1993 roku. W 2003 roku następca COBE salelita WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) dał jeszcze dokładniejsze wyniki ( T = 10-5 K). Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 21

22 Gwiazdy pierwszej generacji ---- paliwo wodór i hel, Grawitacyjne przyciąganie rośnie temperatura wnętrza, Zapala się wodór: 4 p 4 He e ν + 2 γ, Gdy T > K zapala się hel: 4 He He 2 8 Be 4 ale po t = sek rozpada się na 2 ( 4 He 2 ), Duża gęstość, może powstać węgiel: 8 Be He 2 12 C 6 + g, szansa jest duża bo istnieje stan wzbudzony węgla o energii MeV. Bardzo mało Litu (L), Berylu (Be) oraz Boru (B), Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 22

23 Mając stabilny węgiel powstają tlen, azot i neon: 12 C He 2 16 O 8 + g, 16 O He 2 20 Ne 10 + g, 12 C He 1 14 N 7 + g, Dalej zapala się węgiel i tlen: 12 C C 6,,, 12 C O 8, powstają sód (Na), magnes (Mg), krzem (Si), fosfor (P) i siarka (S), Dla cięższych jąder bariera kulombowska jest zbyt duża Jądra powyżej żelaza produkowane są w inny sposób n + A X Z A+1 Y Z + g A+1 W Z+1 + e + ν, Wybuchy supernowych roznoszą ciężkie pierwiastki. Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 23

24 Mówiliśmy o gwiazdach I generacji, gwiazdy II generacji powstają w trochę inny sposób ciężkie pierwiastki są już rozrzucone przez wybuchy supernowych, Dalej pracują siły grawitacji dając galaktyki, gromady galaktyk i planety wokół gwiazd, Na planetach powstało życie, znamy przynajmniej jedną taką Planetę Co działo się po Wielkim Wybuchu do czasu t = sek pozostaje niewyjaśnione, Plany doświadczalne: LHC, p + p, E = GeV (t = sek), sonda PLANCK, promieniowanie reliktowe, teleskopy np. ALMA (Atacama) Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 24

25 Zderzacz w CERN-ie Mikroskopy sięgamy w głąb materii LEP Szwajcaria, Francja 4 eksperymenty LEP-u Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 25

26 W tunelu LHC 27 km rura próżniowa p (7000 GeV) p (7000 (GeV )) Magnesy odginające wiązkę o B = 8.2 Tesli Temperatura 3 0 powyżej zera bezwzględnego Foto CERN Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 26

27 Detektor Alice Alice (LHC) Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 27

28 FERMIONY o SPINIE 1/2 BOSONY o SPINIE 0 Leptony Kwarki ν u d e e ν c s μ t b ν μ τ τ Sleptony Skwarki u d ν e e c s ν μ t b ν τ μ τ Generacje MATERII Generacje SMATERII Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 28

29 The Energy Budget of the Universe http-- ~evans-masterclass-future.ppt Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 29

30 Pytania o początki pytania teoretyczne: Co spowodowało naruszenie symetrii materia- antymateria? Czy była inflacja, a jeśli tak to jaki był jej mechanizm? Co stanowi ciemną materię? Jaka jest natura ciemnej energii? Dlaczego energia próżni jest tak olbrzymia? Jaka teoria zastąpi Model Standardowy? Jaka jest masa neutrin? Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne? Czy proton jest niestabilny? Czy Ogólna Teoria Względności jest teorią ostateczną? Jak wygląda Mechanika Kwantowa dla energii w skali Plancka? Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 30

31 Marzy nam się stworzenie Teorii Ostatecznej, (czy wtedy znajdziemy odpowiedzi na pytania wyjaśniające status życia i inteligencji?) czy znajdziemy w niej uzasadnienie moralności lub jej braku? czy zostanie rozstrzygnięta kwestia dobra i zła, tego co etyczne, a co nie etyczne? czy nastąpi konflikt pomiędzy nauką i religią? a może nauka i religia będą się wzajemnie uzupełniać? Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 31

32 Marek Zrałek, Instytut Fizyki, UŚl 32