Od wielkiego wybuchu do gwiazd neutronowych fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkojonowych

Transkrypt

1 Od wielkiego wybuchu do gwiazd neutronowych fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkojonowych From Big-Bang to neutron stars- physcis with relatyvistic heavy ion collisions Piotr Salabura

2 Program Zderzenia wysokoenegetycznych ciężkich jonów (1000 TeV= 1.6*10-4 J masie około10 15 protonów) w laboratoriach na ziemi są jedynym sposobem na badania warunków które panowały we wszechświecie około 10-6 sekundy po tkz. wielkim wybuchu uważanym za jego początek

3 Big-bang- Wielki Wybuch Georges Lemaître, belgijski duchowny katolicki ksiądz, proponuje (1927) to co stało się znane dziś teorią Big Bang pochodzenia wszechświata. Model opierał ( pierwotnego atomu ) się na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, jednorodności i izotropii materii. Aleksander Friedmann (1922) formułuje niezależnie równania rozszerzającego się wszechświata Edwin Hubble odkrywa (1929) iż światło z dalekich galaktyki jest przesunięte ku czerwieni proporcjonalnie do ich odległości od ziemi Arno Penzias and Robert Wilson odkrywają (1968) odkrywają promieniowania tła Cosmic Background Radiation (CMB) za co otzymumją 1978 roku Nagrodę Nobla

4 Dowody na "wielki wybuch" Przesunięcie ku czerwieni (prawo Hubbla) Promieniowanie tła i jego jednorodność Nukleosynteza hadrosynteza czyli utworzenie materii z plazmy Kwarkowo-Gluonowej która istniała około ~10-6 s po wielkim wybuchu w zderzeniach ciężkich jonów? Jest możliwa do odtworzenia w.w eksperymentach

5 Jednostki Mikroświat/Makroświat Długość [m] 1 nm = 10-9 nm 500 nm światło widzialne 1 fm = fm 3-4 fm odległości pomiędzy nukleonami w jądrze Astronomia parsek 3.26 lata świetlne ~ 31*10 12 km Energia E [J= N*m/s 2 ] elektronovolt [ev] [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 ] masa protonu GeV/c MeV/c *10-27 kg E = mc 2 Masa neutronu GeV/c 2 Masa elektronu 511 kev/c 2 pęd p [kg * m/s] GeV/c, MeV/c Długość fali cząstki λ = h/p ~1fm cząstka o p ~1 GeV/c Temperatura T [K] poprzez energię E=k T 1 MeV 1.1 *10 10 [K]

6 Przesunięcie ku czerwieni Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Linie absorpcji wodoru V λ ' = λ (1 + β )(1 β ) = λ(1 + z) V = βc λ z red-shift Przesunięcie ku czerwieni e p Słońce Daleka gwiazda

7 Wyznaczanie stałej Hubble a (H 0 ) Stała Hubble a fundamentalny parametr kosmologiczny. Charakteryzuje obecne tempo ekspansji Wszechświata. oraz H(t) = [dr(t)/dt]/r(t) H 0 = H(t 0 ) z = H 0 d/c Z- przesunięcie ku czerwieni długości fali fotonów Ta ostatnia zależność (prawdziwa dla z 0,2) daje nam pierwszą metodę pomiaru H 0 : H 0 = c z/d Wielkościami, które należy mierzyć są: - przesunięcie ku czerwieni, z - odległość, d (metodą niezależną od prawa Hubble a, oczywiście). Ruchy własne galaktyk będą dawać naturalny rozrzut tej relacji.

8 Wyznaczenie odległości -cefeidy - Porównanie jasności obserwowanej z kalibrowaną z okresu zmian jasności Standardowe świece w astronomi L = L 0 /4πd 2

9 Wzynacznie H V = H D Trully Fischer relacja jasności galaktyk spiralnych z ich prędkością a obsewrwowaną jasnością Supernova Ia stała zależność krzywej jasności od czasu pozwala powiązać jasność z odległością a z drugiej strony z przesunięciem ku czerwieni (z) standardowe świecie w astronomii jak cefeidy

10 Prawo Hubble V (t)= H (t) D <H> = (72 ±8) km/s Mpc = 1/( lat) 1/H =15*10 9 ~ szacowny wiek wszechświata Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa się z odległością (D) ~ Hubble: co 5 sekund objętość wszechświata powiększa się o przestrzeń zajmowaną przez Drogę Mleczną

11 Widma promieniowania fotonów określa temperaturę obiektu

12 Prawo Plancka promieniowanie ciała doskonale czarnego λ max M. Planck 1900 ρ( v, T ) = A 3 hv exp( hv / kt ) 1 dla dużych energii : ρ( E) E = hν exp( E / kt ) λ max = 2.9e-3[m*K] / T T powierzchni słońca = 5000 K, T jądra słońca =1.5*10 7 K (~1 kev) długość fali (nm) Prawo Stefana-Boltzmana (S-B)

13 Pozostalość po wybuchu-poświata 1989 satelita COBE promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K λ max = 1.9 mm Poświata z wszechświata z Pewnego momentu jego ewolucji Kiedy fotony mogły swobodnie się rozchodzić..? Wilson, Penzias Nagroda Nobla

14 Obserwacje: od 30 VI 2001 orbita: okolice L2, 5 pasm w zakresie między 22 a 90 GHz Misja-WMAP

15 Pozostalość po wybuchu-poświata Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali K! Poświata wykazuje pewne anizotropowości ale jest zadziwiająco jednorodna!

16 Jak wyjaśnić te obserwacje..

17 Proste wyprowadzenie dla Λ=0

18 Szacowanie wieku wszechświata

19 Energia promieniowania i jej zależność od czasu Wczesny wszechświat było zdominowany przez promieniowanie (powstałe z anihilacji materii) które było uwiezione w kuli ognistej. Promieniowanie uwolniło się w pewnym etapie ewolucji (o tym za chwile) Energia (temperatura) wszechświata dąży do w t=0!

20 Atom wodoru Atom wodoru: oddziaływanie elektromagnetyczne ( Siła Coulomba) Energia jonizacji U m (H)= m proton + m elekron + U U = ev Na pewnym etapie ewolucji wszechświat składał się z mieszaniny atomów wodoru oraz fotonów w równowadze termodynamicznej (czyli ustalonej T) E = mc 2

21 Reakcje syntezy/dezintegracji wodoru Energia/cząstkę Temperatura e - + p H + γ + Q (13.6 ev) W równowadze termodynamicznej (kt=q) tyle samo fotonów jest emitowanych co absorbowanych- > fotony nie mogą się wolno rozchodzić Bardziej dokładnie ilość reakcji <N> na sekundę wynosi <N> = N (gęstość H/p)* V(prędkość pocisku)* σ (przekrój czynny) σ ma wymiar powierzchni [cm 2 ] (1barn=10-24 cm 2 ) -efektywna powierzchnia na oddziaływanie

22 Emisja promieniowania reliktowego kt=0.5 ev ρ( v, T ) = A 3 hv exp( hv / kt ) 1 Te fotony mają dostateczną energię aby rozbić wodór E [ev]

23 Parę wniosków

24 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; He/H H/H He/H Li/H Wodór, deuter, Hel są najczęściej występującymi jądrami we wszechświecie Mogły być wyprodukowane na pewnym etapie ewolucji wszechświata z istniejących już protonów i neutronów Cięższe jądra z A=5,6,8 nie są już stabilne a następne stabilne np. 12C już nie występuje tak często ponieważ zderzenia jąder helu nie prowadzi do syntezy z powodu odpychania kulombowskiego potrzebne jest olbrzymie ciśnienie to może się wydarzy w gwiazdach

25 Synteza/dezintegracja jądra Cząstka α = 4 He Oddziaływanie jądrowe(silne) Energia jonizacji U Dla wodoru: m (H)= m proton + m elekron + U U = ev 2*(M p +M n ) M He E = mc 2 Q=ΔU= u Q=23.8 MeV

26 Nukleosynteza Energia przypadająca na cząstkę wynosi wtedy kt, np. wartość Q (ciepła reakcji) dla pierwszej reakcji wynosi Q =2.2 MeV(T K) 1* 4 2* Powstawanie lekkich jąder i ich akumulacja może się odbyć o ile energia fotonów nie jest za duża tak aby reakcja odwrotna nie mogła zajść i wciągu krótkiego czasu zanim rozpadną się neutrony (parę minut!) Jeżeli fotony i nukleony są w równowadze termodynamicznej, czyli w układzie w którym była ustalona równowaga termiczna i określona temperatura T, ilość protonów i fotonów jest podana przez rozkłady statyczne

27 Rozkład statystyczny (nierelatywistyczny) cząstek w równowadze termodynamicznej (T=const) kt=0.05 MeV Nota bene: podobny rozkładu fotonów! E [MeV]

28 Widmo fotonów Reakcje nukleonsyntezy kt=0.06 MeV Te fotony mają dostateczną energię aby zainicjować reakcje 2* kt=0.04 MeV E [MeV]

29 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; Modele syntezy 2* przewiduja stosunki, np.: 0.14

30 Szacowanie gęstości krytycznej

31 Problemy tww N γ = 411/cm 3

32 Warunki Sacharowa Sformułowane w 1966 przez rosyjskiego naukowca Sacharowa podają możliwe rozwiązanie problemu tww Istnienie oddziaływanie niezachowującego liczbę barionową (np. : p e+ π 0 ) nieobserwowane jak dotąd.. Odchylenia od warunków równowagi termodynamicznej (potrzebne do naruszenia zachowania liczby barionów) Łamanie symetrii rozpadów cząstek i antycząstek (tkz. łamanie symteri CP i C) różne prawdopodobieństwa rozpadów cząstka antycząstka (takie procesy są dziś znane..)

33 Przykład procesu prowadzącego do asymterii barion-antybarion Możliwe wyjaśnienie dają modele wielkiej Unifikacji (łączącej wszystkie oddziaływania) postulujące istnienie bardzo ciężkich cząstek (m>10 17 GeV) rozpadających się z niezachowaniem liczby barionowej np. X N B1 (z prawdopodobieństwem r) oraz X N B2 (z prawdopodobieństwem 1-r) Dla antycząstki anty-x odpowiednio rr oraz 1 rr W chwili produkcji cząstek ilość X i anty-x jest równa Po rozpadzie asymteria barion i antybarion będzie wynosić A = rn B1 - rr N B1 + (1-r) N B2 - (1 rr )N B2 = (r - rr ) (N B1 N B2 ) Jeżeli liczba barionowa jest naruszona to N B1 N B2 i jeżeli symteria CP jest naruszona to r rr (prawd. rozpadu cząstka antycząstka są różne) mamy wytworzenia Asymterii

34 Czarna materia Materia która nie świeci a jej obecność znamy poprzez efekty grawitacyjne Prędkość rotacji galaktyk spiralnych halo mmvv 22 rr mmmm < rr GG = rr 22 Częśc centralna Dla masy (gwiazdy) w części centralnej M r 3 V r v r dysk Dla gwiazdy daleko poza częścią centralną M=cont V s

35 Rozkłady prędkości gwiazd w galaktyce Galaktyka spiralna NGC 1560 Jasność w funkcji odległości (zanik wykładniczy) Jasność linii wodoru Prędkości tranversalne (v) w funkcji odległości wzrost Linie krzywe teoretyczne powstałe z całkowania masy wewnątrz promienia. Pokazano osobno wkład od gwiadz i gazu

36 Materia we wszechświecie Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza!! co stanowi ciemną materię Dark matter? co jest ciemną energią? Nie jest to w większości materia barionowa! Włączając ciemną materię dostajemy Ω ~ 0.3

37 Inflacja Problem horyzontu: rozkład temperatury wszechświata jest bardzo jednorodny..(10-4 )..ale jego odległe punkty nie mogły być w kontakcie świetlnym w chwili rozprzęgnięcia fotonów.. Czas rozprzęgnięcia fotonów od materii to około t r =10 13 s od początku Zatem maksymalna względna odległość dwóch przeciwległych punktów które mogły być w kontakcie świetlnym wynosi dzisiaj ct r R 0 (0-dzisiaj)/R r = ct r T r / T 0 ~10 3 ct r <<2 c(t 0 t r ) 2 ct 0!!!! (T r = 3500 K, T 0 = 2.7 K) Rozwiązanie inflacja : Guth 1981 uwolnienie wielkiej energii w bardzo małym okresie czasu (stała kosmologiczna Λ ) związanej z zerwaniem Wielkiej Unifikacji RR ( RR )22 ΛΛ RR = RR 33 00ee ΛΛ 33 (tt tt 00) typowe skala inflacji to 10 30!! w czasie 10-32!

38 t= lat ~ 1 ev ~3000 K t=10-12 s ~ 1 TeV -LHC

39 Kalendarz wszechświata dzisiaj Hubble Expansion Ekspansja Hubble powstanie galaktyk dominacja materii Nukleosynteza Promieniowanie tła Materia kwarkowo gluonowa powstanie hadronów Reakcje ciężkojonowe URHiC Grand unification Planck epoch T = 100 MeV T = 1.16*10 12 K słońce : T=1.1*10 7 K

40 oddziaływanie elektromagnetyczne Struktura mikroświata 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!

41 Struktura materii najbardziej fundamentalna 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