Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Transkrypt

1 Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN mgr inż. Małgorzata Janik - majanik@cern.ch mgr inż. Łukasz Graczykowski - lgraczyk@cern.ch Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Małgorzata Janik 12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZ

3 Teleskop Kosmiczny Hubble'a Mgławica Orzeł Filary stworzenia 10/09/2012, WPCF '12 Małgorzata Janik Warsaw University of Technology

4 Jak sięgnąć do początków? eleskop Kosmiczny Hubble'a braz Głębokiego Kosmosu Małgorzata Janik Warsaw University of Technology 10/09/2012, WPCF '12

5 Granica poznania: promieniowanie tła Planck ( )? T = K Ale co było wcześniej? Jak to sprawdzić? Małgorzata Janik WMAP / Planck 380 tys. lat CSZ po Wielkim Wybuchu 12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty

6 Model Wielkiego Wybuchu ROZMIAR, KOMPLIKACJA TEMPERATURA, GĘSTOŚĆ

7 Jak zbadać coś czego nie możemy zobaczyć? Zacznijmy od podstaw...

8 Kwarki i gluony ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Kwarki są ściśle powiązane, poprzez gluony tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku proton cząstki elementarne neutron kwarki leptony Cała otaczająca nas materia i my sami jesteśmy zbudowani tylko z tego... masa nośniki oddziaływań

9 Kwarki i gluony ~10-1 m ~10-10 m Kwarki są ściśle powiązane, poprzez gluony tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku ~10-15 m

10 Czy można uwolnić kwarki? Para kwark-antykwark (mezon) Próbujemy je rozdzielić (dodajemy energię) E=mc2! Dostajemy dwa mezony

11 Ale... czy historia Wszechświata i zaglądanie coraz głębiej w strukturę materii nie wydają się w zasadzie podobne? Zróbmy zatem porównanie...

12 Wszechświat Kwarki i gluony Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj Wielki Wybuch 10 6 s 10 4 s 3 min 13*109 lat Budowa materii Problem: wspomnieliśmy, że nie zaobserwowano obecnie wolnego kwarku i nie można go otrzymać... Pytanie: Czy potrzebujemy izolować pojedynczy kwark? Może lepiej uwolnić wszystkie na raz! Czy to możliwe?

13 Jak uwolnić kwarki? Materia hadronowa: kwarki uwięzione w protonach i neutronach? Materia kwarkowa: w jej objętości kwarki są swobodne! Taka materia kwarkowa (plazma kwarkowo-gluonowa) to praktycznie taki sam stan materii jak na początku Wszechświata, a przecież to właśnie chcemy zbadać! Ale... jak ją wytworzyć?

14 Podgrzewanie W teorii można... Ściskanie Podgrzewanie Ściskanie...należy tylko zwiększyć gęstość energii układu (ścisnąć lub podgrzać), ale jak to zrobić w praktyce?

15 Alpy/Masyw Mont Blanc Genewa Jezioro Genewskie LHC CERN/Meyrin

16

17 Przebieg reakcji w czasie i przestrzeni Kwarki łączą się w cząstki Plazma kwarkowo-gluonowa Zderzamy dwa jądra

18 Temperatura krytyczna, poniżej której następuje przejście fazowe. Poniżej pewnej temperatury kwarki łączą się w protony, neutrony i inne cząstki. Diagram fazowy wody Diagram fazowy plazmy

19 Tu jest obszar naszych zainteresowań

20 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych...

21 KONIEC CZĘŚCI I CIĄG DALSZY NASTĄPI... Zawsze chętnie odpowiemy na pytania: majanik@cern.ch lgraczyk@cern.ch

22

23 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych...

24 Kolejny problem, to materia i antymateria. Zrozumieć go próbuje eksperyment LHCb. Na początku Wszechświat był zbudowany w równych proporcjach z materii i antymaterii. Gdyby podczas ewolucji Wszechświata materia i antymateria były swoim lustrzanym odbiciem unicestwiłyby się całkowicie, zostawiając jedynie energię. Dlaczego jednak część materii pozostała, tworząc galaktyki, Układ Słoneczny, naszą planetę i nas? LHC będzie badać, skąd bierze się ta niewielka różnica, jaka istnieje między materią i antymaterią.

25 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych...

26 Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei również eksperymenty ATLAS i CMS. Astronomowie od dawna obserwują ruchy gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki. Prawa fizyki można uratować jeśli założymy, że we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość materii innej niż ta, którą znamy materii niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze światłem, a więc ciemnej. Dzięki poszukiwaniom w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo oddziałujących ze zwykłą materią, być może będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania tej zagadki. Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną coraz większą prędkość rozszerzania się Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.

27 Granica poznania: promieniowanie tła Planck

28 Jaki jest przepis na przyrodę? Przyroda na najniższym poziomie opisywana jest tzw. Modelem Fermiony Bozony Standardowym (SM): (budulec materii) (nośniki oddziaływań) Cząstki elementarne cegiełki budujące materię (fermiony i bozony) kwarki Trzy oddziaływania (z czterech) opisujące dynamikę cząstek elementarnych (słabe, silne oraz leptony elektromagnetyczne) Model Standardowy nie zawiera w sobie grawitacji opisanej przez Ogólną Teorię Względności Alberta Einsteina. Po potwierdzeniu odkrycia bozonu Higgsa w 2013 r. (o tym później) SM nazywany jest teorią prawie wszystkiego (theory of almost everything). masa

29 Model Wielkiego Wybuchu WMAP / Planck Jądra atomowe Protony i neutrony Plazma kwarkowo-gluonowa Powstają cząstki elementarne Inflacja? (Kwantowa grawitacja)