Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata. Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

Transkrypt

1 Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

2 Świat pod lupą materia: 10-4 m kryształ: 10-9 m ρ=2 3 g/cm 3 atom: m jądro: m nukleon: m (1fm) ρ=10 17 g/cm 3 kwarki i gluony m

3 oddziaływanie elektromagnetyczne Nowoczesny model atomu oddziaływanie silne (jadrowe) Gdyby protony i neutrony na rysunku miały średnicę 10 cm, to wtedy rozmiar kwarków i elektronów byłby mniejszy niż 0.1 mm, a średnica całego atomu wynosiłaby 10 km!

4 Jednostki Mikroświat Długość [m] 1 nm = 10-9 nm 500 nm światło widzialne 1 fm = fm 3-4 fm odległości pomiędzy nukleonami w jądrze Energia E [J= N*m/s 2 ] [C * V ] 1 ev=1.6*10-19 J energia elektronu przyspieszonego (E= e*u) przez napięcie elektryczne 1 Volta 1 MeV =10 6 ev, 1 GeV = 10 9 ev Masa m [kg ] poprzez energię E = mc 2 oraz c=1 GeV masa protonu 0.94 GeV =1.67*10-27 kg pęd p [kg * m/s] GeV Długość fali cząstki λ = h/p ~1fm cząstka o p ~1 GeV Temperatura T [K] poprzez energię E=k T 1 MeV 1.1 *10 10 [K]

5 Podstawowe niepodzielne składniki materii 3 rodziny cząstek elementarnych Bariony: 3 kwarki d u u proton Mezony: kwark-antykwark Każda cząstka ma swojego partnera antycząstkę o przeciwnym ładunku Bariony i mezony : układy uwięzionych kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi q q

6 Atom wodoru: oddziaływanie elektromagnetyczne ( Siła Coulomba) Energia wiązania a masa Cząstka α = 4 He Oddziaływanie jądrowe(silne) Energia jonizacji U Energia jonizacji U m (H)= m proton + m elekron + U U = ev E = mc 2 2*(M p +M n ) M He ΔU= u

7 Skąd się wzięła materia??

8 Podróż do początku wszechświata Milionów Lat Milion Lat Wielkiego Wybuchu Lat Minuty sekunda sekund sekund sekund lat

9 Dowody na "wielki wybuch" Ekspansja wszechświata Promieniowanie tła ( lat po wybuchu) Nukleosynteza (1s-3minuty po wybuchu)

10 Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Linie absorpcji wodoru λ = V λ 0 c odb, źródła V = V V źródła c obd, źródła źr V odb p e λ λ = 8 c ( = 3*10 m / s) f Słońce Daleka gwiazda

11 Pomiar odległości okres gwiazd zmiennych (Cefeidy) Jasność f( T)-> odległość prędkość odległość V = H D E. Hubble 1929 <H> = 70 km/s Mpc = 1/( lat) Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa się z odległością (D)

12 Widma promieniowania fotonów określa temperaturę obiektu Np: dla słońca poprzez pomiar fotonów Jak gorący jest wszechświat

13 Prawo Plancka promieniowanie ciała doskonale czarnego M. Planck 1900 ρ( v, T ) = A 3 hv exp( hv / kt ) 1 dla dużych energii : ρ( v) exp( E / kt ) E = hν długość fali (nm) T powierzchni słońca = 5000 K T jądra słońca =15*10 6 K gęstośc fotonów = fotonów/cm 3

14 Pozostalość po wybuchu-poświata promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K 1989 satelita COBE Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali K! Poświata z wszechświata który miał lat i T=3000 K! Wilson, Penzias Nagroda Nobla

15 He/H H/H He/H Li/H Nukleosynteza Materia widzialna we wszechświecie składa się głównie z : wodoru (H), Helu ( 4 He), deuteru ( 2 H), trytu ( 3 He), Litu ( 7 Li) w stosunku; Model W. Wybuchu odtwarza te stosunki!

16 Materia we wszechświecie Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza!! co stanowi ciemną materię Dark matter? co jest ciemną energią? dlaczego wszechświat widzialny składa się tylko z materii a brak jest anty-materii?

17 Czy człowiek może odtworzyc akt stworzenia materii Można odtworzyć sytuację która istniała ~1 µs po wielkim wybuchu

18 Proton kwarki są uwięzione Kwarki uwolnione? Jądro składa się z nukleonów Plasma kwarkowogluonowa ~ 1 µs po W. Wybuchu T = 2*10 12 K Czy można to zrobić dziś i na Ziemi????

19 Natura Plasma Nukleony Jądra at. Atomy Dziś Big-bang 10 6 sec 10 4 sec 3 min 13.5 miliardów lat Experiment : zderzenie jąder atomowych przyspieszonych do bardzo dużych prędkości

20 Gdy zbliżamy się do prędkości światła obowiązuje Relatywistyczne teoria względności (A. Einstein) parę przykładów: Rośnie masa cząstki : m = γ m 0 długość ulega skróceniu w kierunku ruchu: γ = l= l 0 / γ 1 1 v c 2 2 czas ulega wydłużeniu t = γ t 0 Np. dla cząstki poruszającej się z v= c masa wzrasta ~ 7000 razy! dlugość skraca się ~ 7000 razy!

21 Jak zrealizować taki eksperyment na ziemi?

22 Jak przyspieszyć cząstki do tak duże energii? pole elektryczne : E = q * U E = 2π E0 cos(2πf t x) λ f częstotliwość λ - dlugość fali x

23 Jak utrzymać przyspieszane cząstki na stałym torze? F = q( v B) = mv R 2 pole magnetyczne: magnesy B

24 Największe akceleratory świata TEVATRON 20 km od Chicago 2 pierścienie protonów i antyprotonów p pronieniu R = 1km. Przyspiesza do energii 1 TeV (1000 GeV!) każdy LHC koło Genewy 1 pierścień dla 2 wiązek protonów o pronieniu R = 4.3 km. Przyspiesza do energii 7 TeV (1000 GeV!) każdy

25 LHC Tunel : 175 m pod ziemią SPS LargeHadronCollider : protony są przyspieszane do prędkości c w ciągu 20 minut i zamknięte w 2 pierścieniach o T=1.9 K, krążąc, około dzień energia 7 TeV dla protonów 570 TeV dla jąder Pb ( odpowiada energii 5.9µJ) 2 wiązki protonów mogą zderzać się co 25 s

26 Jak zarejestrować pojedynczy proces zderzenia cząstek: Detektor Widok z boku

27 LHC ITS TRD TPC naladowanych czastek Start w 2008!

28 2.76 TeV zderzenia Pb + Pb

29 Podsumowanie Wszechświat ma około 13.9 mld lat Model Wielkiego wybuchu tłumaczy: promieniowanie tła skład materii we wszechświecie (H, He, Li) rozszerzania się wszechświata (ucieczka galaktyk) Znana (widzialna) materia we wszechświecie to tylko 4% Wielki przyspieszacze cząstek (LHC) umożliwiają odtworzyć warunki panujące we wszechświecie po około 10-6 sekundy kiedy materia składała się elementarnych kwarków, leptonów +???

30 Jak wygląda jedno zderzenie Au+Au? Relativistic Heavy Ion Collider RHIC

31 The Relativistic Heavy Ion Collider:RHIC RHIC Wewnątrz tunelu Przyspieszane cząstki Au + Au p + p Maxymalna Energia 200 GeV 500 GeV Ilość zderzeń na sek 1.4 x 10 3 s -1 6 x 10 5 s -1 34

32 Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek Widmo lekkich cząstek (pionów) dn de E K Rozkład Boltzmana cząstek termicznych (nierelatywistyczny): k = = c 3 2 kt E k ( kt ) 3/ 2 exp( E K / T ) Slope T 120 MeV Energia kinetyczna Nachylenie widma ~Temperatura w momencie zastygnięcia fireball thermall freeze-out T = 100 MeV T K

33 Temperatura Obserwacja: Temperatura zależy od masy cząstek " bez ekspansji źródła keine Expansion powód: Kula ognista rozszerza się z prędkością V. Materią uległa kompresji: E kin 3/2kT + ½ mv 2 T = 120 MeV V ekspansji = 0.55 c Massa cząstki Rozszerzająca się kula ognista

34 Charakterystyka mikro-wybuchu prprędkość rozsz. [v/c] Temperatura [MeV] 130 MeV Energia wiązki