SKALA ENERGII. w MIKRO - oraz w MAKROKOSMOSIE

Transkrypt

1

2 SKALA ENERGII w MIKRO - oraz w MAKROKOSMOSIE Dyskusja panelowa - 17 listopada 2006

3 Energia ενεργεια "w pracy" Energia zdolność do wykonywania pracy Wiele form energii: w fizyce ( grawitacyjna, elektryczna, magnetyczna, sprężysta, cieplna, kinetyczna, potencjalna, ), w chemii ( energia pojawiająca Energia się przy formowaniu lub rozpadzie atomów, molekuł.), w biologii ( procesy chemiczne w komórkach biologicznych, fotosynteza, 4% energii światła słonecznego, ), w meteorologii ( wiatr, burze, deszcze, stała słoneczna = 1367 J/sek/m 2...), w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraj/sek,.),

4 w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraj/sek,.), w geologii ( wulkany, trzęsienia Ziemi, 37 teraj/sek,. w astronomii (energii procesów fuzji, supernowych, kwazarów, promieniowania kosmicznego,..), w kosmologii ( nukleosyntezy, promieniowania reliktowego, ciemna energia,.) Ale także w ekonomii (bogactw naturalnych, konsumpcji,.. w ochronie środowiska ( odnawialne źródła energii.. ) w polityce, transporcie, zarządzaniu,..

5 Thomas Young pierwszy użył pojęcie energia dla: E = m 2 Pojęcie energii kinetycznej w 1829 roku wprowadził Gustave-Gaspard Coriolis, 2 Pierwszy raz pojecie energii potecjalnej użył Wiliam Rankine w 1853 roku, Zasada zachowania różnych form energii połowa XIX wieku: Julius Robert Mayer, Jemes Prescott Joule, Herman Helmholtz.

6 Mikroskopowa jednostka energii 1 elektronowolt 19 1 ev = (q = 1e = C) ( ϕ = 1V) Makroskopowa jednostka energii 1 Joule m 1 J = (1 N = 1 kg ) (1 metr) 2 s ev = J

7 Masa neutrina Rozpad beta Neutrina obserwowane w AMAND-zie Skala energii we Wszechświecie 1 ZeV Trzymanie książki w ręce Największa energia promieniowania 1 YeV 1 ev = J kosmicznego 1 KWh Energia wybuchu bomby atomowej Zużycie energii w ciągu 1 roku w USA Zużycie energii na Świecie w 1950 roku Energia rotacji Ziemi Energia wypromieniowana przez Słońce w ciągu dnia Energia rotacji naszej Galaktyki Energia wybuchu supernowej

8 10-33 J J J J = 1 yoctoj J = 1 zeptoj J = 1 attoj J = 1 femtoj J = 1 picoj 10-9 J = 1 nanoj 10-6 J = 1 microj 10-3 J = 1 milij 10-2 J = 1 centij ev 15 ev ev 12 ev 10-9 ev 10-6 ev 10-3 ev 1 ev 10 3 ev 10 6 ev 10 9 ev ev ev Energia kinetyczna elektronu poruszającego się z v = 1m/sek Energia fotonu dla często stości radiowych CMB Energia kinetyczna molekuł w pokojowej temperaturze (0.025eV) Energia rozerwania molekuły y DNA (0.1eV) Energia równowar wnoważna na masie elektronu Energia równowar wnoważna na masie protonu Najcięż ęższy kwark t Fizyka molekuł Fizyka atomu Fizyka jądra j atomowego Fizyka cząstek stek 10-1 J = decij 1J J = 1decaJ J = 1 hectoj ev ev ev ev Skala unifikacji oddziaływań J = 1 kiloj J = 1 megaj J = 1 gigaj J = 1 teraj J = 1 petaj J = 1 exaj J = 1 zettaj J = 1 yottaj ev ev ev ev ev ev ev ev ev Jednodniowa dieta człowieka Energia dostarczana ze SłońcaS do Ziemi. Skala Plancka

9 Dla poznania oddziaływań fundamentalnych, istotna jest energia bezpośredniego zderzenia pojedynczych cząstek. N A = x /mol

10 Dotychczas: + e e e p p p GeV GeV GeV Obecne granice naszych możliwości badawczych: -17 m γ < 6 10 ev ( Cavendish eksperyment ) -27 m < 3 γ 10 ev ( Galaktyczne pole magnetyczne ) 20 m p 3 10 ev ( Salt Lake City (1991) )

11 Pełne ustalenie skali energii było możliwe po odkryciu równoważności masy i energii w 1905 roku przez Einsteina. E = m c 2 v 1- c 2 2 Tylko cząstki o znikającej masie mogą mieć dowolnie małą energię. -17 m < 6 10 ev γ m = 0 G i

12 Możliwość zaniedbania korelacji pomiędzy różnymi skalami energii ---- fundamentalna zasada dająca szansę poznawania przyrody. Przykłady Ruch Ziemi wokół Słońca zaniedbujemy ruchy galaktyk Badając ruch Ziemi wokół Słońca zaniedbujemy skład atomowy Badając strukturę molekuł zaniedbujemy strukturę jąder, Badając strukturę jąder zaniedbujemy skład kwarkowy nukleonów Badając strukturę nukleonów ewentualna budowa kwarków nie ma znaczenia Odseparowanie skal nie jest zwykle dokładne rachunek zaburzeń

13 Mikroskopowa skala energii Nierelatywistyczna mechanika kwantowa, Absolutny czas i przestrzeń Równania Einsteina Przestrzeń Riemana Kwantowa teoria pola, Czasoprzestrzeń Minkowskiego Teoria strun (?), Piana kwantowa (?) ev ev ev 10-9 ev 10-6 ev 10-3 ev 1 ev 10 3 ev 10 6 ev 10 9 ev ev ev ev ev ev ev ev Atomy, molekuły Jądra atomowe Kwarki,leptony, W, Z, gluony Unifikacja oddziaływa ywań,, SO(10) Skala Plancka, Unifikacja z oddziaływaniami grawitacyjnymi

14 Skala energii jest zawsze połączona ze skalą odległości: h λ = = q 2 π qc c c = MeV fm femtometr -15(=10 m) 200 MeV = 0.2 GeV 1 femtometr (=10 m) 200 MeV = 0.2 GeV

15 Mikroskopowa Skala odległości Teoria nierelatywistyczna, Absolutny czas i przestrzeń Równania Einsteina Przestrzeń Riemana Kwantowa teoria pola, Czasoprzestrzeń Minkowskiego Teoria strun (?), Piana kwantowa (?) cm 10 9 cm 10 6 cm 10 3 cm 1 cm 10-3 cm 10-6 cm 10-9 cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm Atomy, molekuły Jądra, Relatywistyczna mechanika kwantowa Model Standardowy, QFT Unifikacja oddziaływa ywań,, SO(10) Skala Plancka, Unifikacja z oddziaływaniami grawitacyjnymi

16 Odkrycie skali molekularno - atomowej Mendeleev, 1872 J.J. Thomson, 1897 N. Bohr, r B = cm 2 mc e

17

18 Odkrycie skali jądrowej: Ernest Rutherford, 1911 λ c = m c -13 λ (p) = 1.3 c 10 cm Odkrycie skali nukleonowej: Protony; E. Rutherford, 1919 Neutrony; J. Chadwick, 1932

19 Pierwotne promieniowanie kosmiczne

20 Odkrycie skali kwarkowo - leptonowej M. Gell-Mann Mann,, G. Zweig (1964) ---- hipoteza że e odkrywane cząstki składaj adają się z kwarków w (asów); I. J. Friedman, H. Kandall,, R.E. Taylor ( ) eksperymentalne wykrycie kwarków w i gluonów; Carlo Rubia, Simon Van der Meer (1983) ---- wykrycie cząstek W oraz Z 0.

21 Tablica Kwarków i Leptonów

22 Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem kolorowych GLUONOWOW

23 Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A. Wróblewskiego

24 Pomimo, że e mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy amy jąj za satysfakcjonującą.. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego sąs trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśni nić masy kwarków w i leptonów? Dlaczego stałe e fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i oddzielnie pomiędzy leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób b teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata?

25 Zderzacz w CERN-ie Mikroskopy sięgamy w głąb materii LEP Szwajcaria, Francja 4 eksperymenty LEP-u

26 W tunelu LHC 27 km rura próżniowa Magnesy odginające wiązkę o B = 8.2 Tesli Temperatura 3 0 powyżej zera bezwzględnego Foto CERN

27 Detektor Alice Alice (LHC)

28 Stała struktury subtelnej: e λ c = m c e r = λ 12 c e e e mc E e = = = r 12 λ c α 2 Ee e 1 EM 2 = = = mc c

29 e e e e α 2 EM (0) α EM (q ) Poprawki wirtualne γ γ α W (0) α S (0) 2 W (q ) α 2 α S (q )

30 Unifikacja oddziaływań w MS α 2 α 2 W (q ) α (q ) S α (q 2 ) EM E

31 FERMIONY o SPINIE 1/2 BOSONY o SPINIE 0 Leptony Kwarki u d ν 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

32 Unifikacja oddziaływań w MSSM 0.12 α strength α (q 2 ) S W (q ) α 2 α EM (q ) E energy scale

33 Oddziaływanie grawitacyjne: m λ c = m c m G m G m c 2 3 N N E G = = λc α 2 EG GNm 44 G 2 ~ = = mc c

34 Masa i długość Plancka α 1 G 2 GNMPl 1 c = c 28 M Pl= ~ ev G N λ G = = = N 33 c(m Pl) cm 3 MPlc c F = G m m N d 4 r 12

35 lub inaczej Problem hierarchii: Dlaczego oddziaływania słabe są razy silniejsze niż oddziaływania grawitacyjne? Dlaczego masa cząstki Higgsa jest tak mała w porównaniu z masą Plancka? H t H H t H

36 Będą prowadzone dalej badania eksperymentalne i teoretyczne Ufamy, że e nowe informacje przyniesie uruchamiany w 2007 roku akcelerator LHC w CERN-ie ie. odkrycie cząstki stki Higgsa, może e pojawią się cząstki supersymetryczne, a może e teoria przestanie się zgadzać z doświadczeniem, może e też ktoś wpadnie na pomysł co dalej, ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, może e włąw łączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd d na strukturę materii.

37 W chwili obecnej mamy, rządz dzące się własnymi prawami trzy oddziaływania ujednolicone oddziaływania elektrosłabe abe, oddziaływania silne, oddziaływania grawitacyjne. Oddziaływania słabe Oddziaływania elektromagnetyczne Istnieją próby połą łączenia oddziaływa ywań elekrosłabych i silnych i stworzenie zunifikowanej teorii oddziaływa ywań elektrosłabo - jądrowych. Od wielu lat chcemy też stworzyć kwantowy opis oddziaływa ywań grawitacyjnych i stworzyć wspólna teorię z grawitacyjno elektrosłabo - jądrową

38 Połączenie Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT) z grawitacją TOE (Theory of Everything) TOE = TEORIA SUPERSTRUN??

39 W teorii strun pojawia się dużo o nowych cząstek. Każdy sposób b drgania struny (moda) odpowiada jednej cząstce. Drgania podstawowe, 2 węzły, 1 pętla Podstawowa superstruna, pojedyncza oscylująca pętla, najmniej masywna Pierwsza harmoniczna, 3 węzły, 2 pętle Superstruna z dwiema oscylującymi pętlami, bardziej masywna Druga harmoniczna, 4węzły, 3 pętle Wibrujące struny Superstruna z trzema oscylującymi pętlami, jeszcze bardziej masywna Superstruny Każda struna ma może e drgać na wiele sposobów. Im więcej węzłów w ma taka drgająca struna, tym bardziej masywna cząstka odpowiada temu drganiu.

40 Zamiast podsumowania!

41