Z czego składa się Wszechświat? Jak to wszystko się zaczęło?

Transkrypt

1 Z czego składa się Wszechświat? Jak to wszystko się zaczęło? Żyjemy na Ziemi, małej błękitno-zielonej planecie, trzeciej od Słońca jednej z setek tysięcy milionów gwiazd w galaktyce zwanej Drogą Mleczną, jednej z setek tysięcy milionów galaktyk we Wszechświecie.

2 akceleratory teleskopy Wybierz się z nami w podróż do początku czasu Dziś Lataa a nów iard dów dów iliar 9.2 mil iliar 0 milio m m od zed 38 pr Nasz Wszechświat rozszerza się. Patrząc przez teleskopy na odległe gwiazdy i galaktyki, możemy obserwować Wszechświat przeszłości, gdy był on mniejszy i gorętszy. Ale napotykamy na barierę: pierwsze chwile życia Wszechświata są niedostępne naszym obserwacjom. W zderzeniach cząstek w, odtwarzamy warunki panujące w jednej milionowej, milionowej części sekundy od początku Wszechświata. 180 Sekund Sekundyy ed 0.00 z r p C ERN 0 BANG

3 Życie na Ziemi Istoty podobne ludziom istnieją zaledwie od kilku milionów lat, a jeśli ścisnęlibyśmy całą, liczącą 4500 milionów lat, historię Ziemi do jednej doby, cywilizacja ludzka zmieściłaby się w ostatniej sekundzie przed północą. Dinozaury pojawiły się 225 milionów lat temu, najstarsze skamieniałości mają 540 milionów lat, a pierwsze formy życia 3500 milionów lat. Wszystko skały, rośliny, zwierzęta, ludzie składa się z takich samych cząstek. Cząstki te zrodziły się milionów lat temu w Wielkim Wybuchu. Ludzie Dinozaury 225 milionów lat Skamieliny 540 miliony lat Pierwsze formy życia milionów lat

4 Rodzi się gwiazda Kontynuujmy naszą podróż w przeszłość... Ziemia i układ słoneczny powstały przed około 4500 milionami lat. Układ słoneczny uformował się z obłoku pyłu międzygwiezdnego zawierającego wodór i hel z 1% zaledwie domieszką cięższych pierwiastków.

5 Jesteśmy gwiezdnym pyłem Eksperyment ISOLDE w bada jak pierwiastki cięższe od żelaza powstawały w wybuchach masywnych gwiazd. Wszystko, co widzimy, dotykamy, czy smakujemy jest... gwiezdnym pyłem. Węgiel w naszych ciałach, tlen w powietrzu, krzem w skałach i piasku powstały we wnętrzu dawno istniejących gwiazd. W końcu ich życia, podczas eksplozji o niewyobrażalnej gwałtowności, resztki gwiazd zostały rozrzucone w przestrzeni. Po dalszych miliardach lat z tego pyłu gwiezdnego powstały pod wpływem grawitacji nowe gwiazdy i planety.

6 teleskopy Wszechświat zapala się Upłynęło ponad 200 milionów lat od Wielkiego Wybuchu, zanim atomy wodoru i helu skupiły się pod wpływem grawitacji. Uformowały się olbrzymie kule gazowe wodoru i helu. Zaczęły się one rozgrzewać i świecić, gdy reakcje syntezy jądrowej zapaliły pierwsze gwiazdy. Obrazy zarejestrowane przez teleskop kosmiczny Hubbla informują nas o najwcześniejszych galaktykach, które powstały we Wszechświecie około 13 miliardów lat temu.

7 Wspomnienia z dzieciństwa pierwsza fotografia Wszechświata Wszechświat nie zawsze był przezroczysty. Przezroczystość datuje się od lat po Wielkim Wybuchu, kiedy to uformowały się atomy i światło zaczęło rozprzestrzeniać się bez przeszkód. Dzisiaj widzimy to światło, jako poświatę Wielkiego Wybuchu, kosmiczne promieniowanie tła. Kolory na tym obrazie uzyskanym z satelity WMAP odpowiadają małym fluktuacjom gęstości w rozkładzie atomów we wczesnym Wszechświecie, które mogły prowadzić do uformowania się gwiazd i galaktyk.

8 akceleratory Patrząc w ciemność Obserwacje przy pomocy kosmicznych teleskopów mogą cofnąć nas do momentu lat, ale nie wcześniej. Do tej chwili materia istniała głównie w postaci protonów, jąder helu i elektronów. Było zbyt gorąco, by istniały stabilne atomy. Światło było wciąż absorbowane i ponownie emitowane przez poruszające się cząstki: Wszechświat był nieprzezroczysty. Aby dalej cofnąć się w czasie, naukowcy odtwarzają panujące wówczas warunki, wykorzystując akceleratory cząstek w laboratoriach takich jak.

9 Temperatura K 0,0001 GeV Pomimo, że ewolucja życia na ziemi zajęła miliardy lat, o ewolucji materii i sił działających we Wszechświecie zdecydowała sekwencja dramatycznych wydarzeń w pierwszych trzech minutach istnienia Wszechświata. Podczas tego krótkiego czasu, gęstość i energia cząstek były dostatecznie duże, aby protony i neutrony mogły łączyć się w zderzeniach i tworzyć jądra helu. Skład Wszechświata został ustalony raz na zawsze trzy czwarte widzialnej materii to wodór, pozostała jedna czwarta to hel. Wysoka koncentracja energii powstająca podczas zderzeń cząstek w powoduje ogrzanie materii do bardzo wysokich temperatur. Termometr cyfrowy na górze plakatu przyrównuje temperaturę w różnych momentach wczesnego Wszechświata do odpowiadającej jej energii cząstek, którą fizycy mierzą w jednostkach zwanych gigaelektronowoltami, GeV. Akceleratory cząstek w odtwarzają warunki występujące we wczesnym Wszechświecie, umożliwiając testowane modeli teoretycznych opisujących zachowanie się cząstek. Modele te określają temperaturę oraz gęstość materii podczas kolejnych etapów ewolucji Wszechświata. Pierwsze trzy minuty.

10 Temperatura K GeV Neutrina widmowi posłańcy z wczesnego Wszechświata Jedna sekunda po Wielkim Wybuchu: cząstki zwane neutrinami produkowane są w radioaktywnych rozpadach innych cząstek. Właśnie teraz, w każdym centymetrze sześciennym twego ciała, znajduje się około 300 neutrin pochodzących z Wielkiego Wybuchu! Neutrina są podobne do elektronów, ale nie posiadają ładunku elektrycznego i mają bardzo małą masę. Mogą latami podróżować przez materię i nie są zatrzymywane. Tory tych cząstek, sfotografowane w eksperymencie Gargamelle w w 1973 roku, są ważnym świadectwem przybliżającym nas do zrozumienia natury cząstek i sił. wysyła wiązki neutrin przez 732 km litych skał do laboratorium Gran Sasso we Włoszech, abyśmy mogli lepiej zrozumieć właściwości tych tajemniczych cząstek.

11 Temperatura K 0,1 GeV Protony i neutrony cegiełeki materii Około 100 milionowych części sekundy po Wielkim Wybuchu, cząstki elementarne zwane kwarkami połączyły się i utworzyły protony składniki wszystkich jąder atomowych. Wszystkie protony i neutrony, z których zbudowany jest nasz Wszechświat i my sami! zostały stworzone w tym momencie: 13,700 miliardów lat temu. Eksperymenty w akceleratorach cząstek ujawniły kwarki uwięzione w protonach i neutronach i pokazały, że są one silnie związane przez cząstki zwane gluonami. Eksperyment COMPASS w bada szczegółowo strukturę protonów. Protony składają się z trzech kwarków, które utrzymywane są razem dzięki wymianie gluonów, nośników silnych oddziaływań.

12 Temperatura K 1 GeV Pierwotna zupa Eksperyment ALICE w będzie badał pierwotną zupę kwarków i gluonów stworzoną w zderzeniach jonów ołowiu. To jest wewnętrzny detektor ALICE, zwany komorą projekcji czasowej, który będzie śledził tory lotu tysięcy cząstek powstających w tych zderzeniach. W milionowych częściach sekundy po Wielkim Wybuchu Wszechświat wypełniony był pierwotną zupą zwaną plazmą kwarkowo-gluonową. Ten niezwykle gorący i gęsty stan materii zawiera kwarki i gluony przemieszczające się swobodnie w przestrzeni. W zderzeniach ciężkich jąder o bardzo wysokich energiach stan ten może być wytwarzany i badany.

13 Temperatura K 10 GeV Wszechświat w pierwszych chwilach swego istnienia był świadkiem tytanicznej walki pomiędzy materią i antymaterią. Naukowcy uważają, że podczas Wielkiego Wybuchu powstały jednakowe ilości materii i antymaterii. Dziś antymaterii nie ma już we Wszechświecie ale jak to się stało? Mała różnica w ewolucji cząstek materii i antymaterii mogła doprowadzić do nieznacznej nierównowagi. W rozegranej następnie bitwie anihilacji przetrwały tylko cząstki materii, tworzące cały znany dziś Wszechświat. Dokładne badania atomów antywodoru, wyprodukowanego po raz pierwszy w, mogą rzucić światło na różnice pomiędzy materią i antymaterią. Materia kontra antymateria

14 Temperatura K 100 GeV W 1980 roku w zderzeniach protonów i antyprotonów uzyskanych z pomocą zderzacza Super Proton Synchrotron w odkryto cząstki W i Z, które są nośnikami oddziaływań słabych. Te ślady to dowód na zarejestrowanie pierwszej cząstki Z. Niech moc będzie z tobą! W ciągu lat 90-tych, czołowe zderzenia elektronów i pozytonów w Wielkim Zderzaczu Elektronów i Pozytonów w wytwarzały miliony cząstek Z i setki tysięcy cząstek W, umożliwiając naukowcom głębokie zrozumienie oddziaływań słabych. Jedna stu bilionowa sekundy: wyłaniają się cztery oddziaływywania, które ukształtowały nasz Wszechświat! Grawitacja kontroluje zachowania Wszechświata w wielkiej skali. Elektromagnetyzm rządzi strukturą atomu. Oddziaływania silne wiążą kwarki w protony i neutrony i utrzymują jądra w całości. Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne mają wspólne pochodzenie potwierdzają to eksperymenty w, w których wytwarza się i bada nośniki oddziaływań słabych: cząstki W i Z.

15 Temperatura K 1000 GeV Przesuwanie granic W bilionowych częściach sekundy docieramy do granic poznania. Jest wiele rzeczy, których nie wiemy. Grawitacja działa na masę, ale jak dotąd nauka nie potrafi wyjaśnić, dlaczego cząstki mają takie masy, a nie inne. Widzialna materia to tylko 4% wszystkiego co istnieje. Czym jest tajemnicza ciemna materia Wszechświata? Detektor Atlas o masie 7000 ton ma 46 m długości i 25 m wysokości. Budowany jest przez 1900 fizyków i inżynierów ze 164 instytutów w 35 krajach (w końcu 2006 roku). To są pytania, na które naukowcy chcą znaleźć odpowiedź w eksperymentach, które będą wykonywane na nowym urządzeniu badawczym w, Wielkim Zderzaczu Hadronowym (LHC). Zderzając protony, pędzące prawie tak szybko jak światło, LHC odtworzy warunki panujące w bilionowych częściach sekundy po Wielkim Wybuchu. Te symulacje komputerowe śladów cząstek pojawiających się w zderzeniach protonów w LHC zawierają wskazówki o możliwości znalezienia sygnałów pochodzących od cząstek Higgsa, które stanowią klucz do zrozumienia pochodzenia mas. Detektor CMS o masie ton ma 21.5 m długości i 15 m wysokości. Jest budowany przez 2000 fizyków i inżynierów ze 155 instytutów w 37 krajach (koniec 2006 roku)

16 Temperatura ? K ? GeV Tajemnice początków czasu Ciemna energia Atomy Zimna ciemna materia Czy cała materia i wszystkie pola mogą być opisane jednym równaniem? 73 % 23 % 4 % Czym jest ciemna energia stanowiąca ponad 70% masy Wszechświata i powodująca, że jego ekspansja przyspiesza? Co wydarzyło się w czasie krótszym niż bilionowa część sekundy? Jest wiele tajemnic, które czekają na wyjaśnienia przez następne pokolenia. Czy jedna Teoria Wszystkiego może wyjaśnić jednocześnie ewolucję Wszechświata i prawa Natury? Czy istnieje więcej niż trzy wymiary w skali mikroskopowej? Czy cząstki są drobnymi drgającymi strunami energii w 10 lub 11 wymiarach? Jaka jest natura ciemnej materii i ciemnej energii, stanowiących 96% Wszechświata? Jak rozpoczął się Wielki Wybuch?...

17 Czas zero. Nasz Wszechświat rodzi się. Jakie prawa rządzą tworzeniem się przestrzeni i czasu? Co sprawia, że drobinka wypełniona niewyobrażalną energią rozszerza się szybciej od prędkości światła? LHC przybliży nas do odpowiedzi na te pytania. W najmniejszym możliwym przedziale czasu, wszystko cała materia i energia Wszechświata mieściło się w objętości o wiele mniejszej niż czubek szpilki. Photo Credits, SOHO/NASA/ESA, Vénus Magellan Spacecraft Arecibo Radio Telescope/NASA, Voyager 2/NASA, Hubble Space Telescope NASA, WMAP/NASA, J. F. Colonna (CMAP/Ecole polytechnique), Michael Hoch, Institut Pasteur Copyright 2007 Rolf Landua (scientific) Fabienne Marcastel (artistic)