Elementy kosmologii. Rozszerzający się Wszechświat Wielki Wybuch (Big Bang) Nukleosynteza Promieniowanie mikrofalowe tła Ciemna Materia Leptogeneza

Podobne dokumenty
Elementy kosmologii. D. Kiełczewska, wykład 15

Neutrina z supernowych. Elementy kosmologii

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Bozon Higgsa & SUSY & DM

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

Wszechświat czastek elementarnych

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Ekspansja Wszechświata

Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX. Prawo Hubbla

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII. Prawo Hubbla

10.V Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna strona wszechświata

Ciemna Materia. Niewidzialna materia, oddz. tylko grawitacyjnie

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład X. Prawo Hubbla

Historia Wszechświata w (dużym) skrócie. Agnieszka Pollo Instytut Problemów Jądrowych Warszawa Obserwatorium Astronomiczne UJ Kraków

STRUKTURA MATERII PO WIELKIM WYBUCHU

oraz Początek i kres

Galaktyka. Rysunek: Pas Drogi Mlecznej

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

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

Ciemna strona wszechświata

Fizyka cząstek 5: Co dalej? Brakujące wątki Perspektywy Astrocząstki

Ciemna strona Wszechświata

Ewolucja Wszechświata Wykład 5 Pierwsze trzy minuty

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

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

Od wielkiego wybuchu do gwiazd neutronowych fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkojonowych

NUKLEOSYNTEZA I PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń 6 XII 2013 W POSZUKIWANIU ŚLADÓW NASZYCH PRAPOCZĄTKÓW

Ciemna strona Wszechświata

Neutrina z czasów Wielkiego Wybuchu - CνB ( primordial, relic ) Tadek Kozłowski IPJ

Metamorfozy neutrin. Katarzyna Grzelak. Sympozjum IFD Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

Promieniowanie jonizujące

Bozon Higgsa oraz SUSY

Nowa fizyka a oscylacja neutrin. Pałac Młodzieży Katowice 29 listopad 2006

LHC: program fizyczny

Neutrina i ich oscylacje. Neutrina we Wszechświecie Oscylacje neutrin Masy neutrin

Ewolucja Wszechświata

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

Promieniowanie jonizujące

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Wszechświat: spis inwentarza. Typy obiektów Rozmieszczenie w przestrzeni Symetrie

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Naturalne źródła neutrin, czyli neutrina sa

[C [ Z.. 2 ]

Podstawy astrofizyki i astronomii

Oddziaływania fundamentalne

- Cząstka Higgsa - droga do teorii wszystkiego

Promieniowanie jonizujące

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Atomowa budowa materii

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład9

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Zderzenia relatywistyczne

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Astrofizyka teoretyczna II. Równanie stanu materii gęstej

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Spróbujmy więc poznać bliŝej wielkoskalową strukturę oraz ewolucję WSZECHŚWIATA

Niezachowanie CP najnowsze wyniki

Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Ewolucja Wszechświata

Fizyka i Chemia Ziemi

Oddziaływania. Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

Ewolucja Wykład Wszechświata Era Plancka Cząstki elementarne

czastki elementarne Czastki elementarne

WYKŁAD Wszechświat cząstek elementarnych. 24.III.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masa W

Ewolucja Wszechświata

Fizyka na LHC - Higgs

Fizyka Cząstek II, Wykład 14 (17.I.2013) Ciemna Materia. Piotr Mijakowski. Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Podstawy Fizyki Jądrowej

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Oddziaływania. Przekrój czynny Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

Fizyka jądrowa z Kosmosu wyniki z kosmicznego teleskopu γ

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Wszechświat cząstek elementarnych (dla humanistów)

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 1

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

Czy neutrina mogą nam coś powiedzieć na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie?

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Podstawowe własności jąder atomowych

Wszechświat. Opis relatywistyczny Początek: inflacja? Równowaga wcześnie Pierwotna nukleosynteza Powstanie atomów Mikrofalowe promieniowanie tła

- mity, teorie, eksperymenty

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Mechanika. Fizyka I (B+C) Wykład I: dr hab. Aleksander Filip Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej

Zderzenia relatywistyczne

WYKŁAD 6. Oddziaływania kolorowe cd. Oddziaływania słabe. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

Wpływ wyników misji Planck na obraz Wszechświata

Fizyka wykład dla studentów kierunku Informatyka Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej

Transkrypt:

Elementy kosmologii Rozszerzający się Wszechświat Wielki Wybuch (Big Bang) Nukleosynteza Promieniowanie mikrofalowe tła Ciemna Materia Leptogeneza

Rozszerzający się Wszechświat W 1929 Hubble zaobserwował przesunięcia ku czerwieni (redshift) linii widmowych z odległych galaktyk i przypisał je ucieczce galaktyk z prędkością: z = 0,2 v =Hr gdzie r to odległość a H stała Hubbla ' 1+ β λ λ = λ = λ(1 + z) z = 1 β λ Dla z<<1 to efekt Dopplera ale ogólnie to przejaw izotropowej ekspansji Wszechświata: zwiększają się zarówno odległości, jak i długości fali.

Rozszerzający się Wszechświat Ekspansja Wszechświata zależy od czasu. Jeśli oznaczymy jakąś uniwersalną skalę odl. R(t) to: rt () = Rt () r v( t) = R ( t) r 0 0 H R = R H zależy od czasu ale dziś: H h = 100 h 0 0 + 0,04 0 = 0,73 0,03 km s Mpc 19 1 Mpc=3,09 10 km Ewolucję W opisuje rozwiązanie r-nań Einsteina: H 2 2 2 R 8πG N ρ kc Λ 2 = = + R 3 R 3 G N Dowolne 2 obiekty oddalają się tak samo. stala grawit. ρ gęstosc energii Λ stala kosmologiczna tzw. r-nie Friedmanna

Rozszerzający się Wszechświat H 2 2 2 R 8πG N ρ kc Λ 2 = = + R 3 R 3 G N stala grawit. ρ gęstosc energii Λ stala kosmologiczna k = 0 k = 1 Dla k=λ=0 oraz stałej nierelatywistycznej masy M z całkowania dostaje się: ( ) 1 2 R= G M t H 9 3 3 2 N = πg 3 2 0 6 N ρ R 3t R = 2 czyli wiek Wszechświata: t 0 = 2 10 10 lat 3H 0 k =+1 definiuje tzw. gęstość krytyczną 2 0 3H GeV ρc = = 5,6 2 3 c k = Λ = 0 8π G cm N k =Λ=0 Ω= ρ ρ Bardziej precyzyjnie: t 1 + 0,1 9 0 = = 0,2 H0 13,7 10 lat

Rozszerzający się Wszechświat ρ kc Ω= = 1+ ρ H R c 2 2 2 czyli dla k=0 Ω=1 niezmiennie z t k = 0 G N stala grawit. ρ gęstosc energii Λ stala kosmologiczna k = 1 k = 1 k =0 k =+1 k =+1

Era dominacji promienistej Jak różne gęstości zmieniały się w czasie? Gęstość materii: ρ m R Gęstość energii promieniowania: bo: 3 ρ r R 4 = gęstość fotonów x średnia energia fotonu R 3 c hν h R λ 1 = bo długość fali Stąd teraz dominuje materia ale kiedyś dominowała energia promieniowania. zwiększa się ze skalą R Z r-nia Friedmanna oraz prawa Stefana-Boltz. dostaje się dla promieniowania: temperatura: 1 MeV kt t Czyli na początku był gorący Wielki Wybuch

Wielki Wybuch (Big Bang) Początek Wszechświata Weźmy: 43 32 19 10 s 10 K 10 GeV masa Plancka Dla wcześniejszych czasów potrzebna kwantowa grawitacja, której nie znamy W najwcześniejszych momentach zdarzyła się też pewnie inflacja: W jednym z modeli stała kosmologiczna przez krótki moment dominuje 2 r-nie Friedmanna: R Λ dając: ( t2 t 3 1) R 3 R2 R1e Λ 34 R ( 10 s) = 32 R2 ( 10 s) Po okresie inflacji Λ=0. 1 30 Dalej omówimy kolejne stadia oziębiania Wszechświata. Zakładamy, że 2 cząstki które spełniają: kt Mc są w równowadze termicznej w porównywalnych ilościach a reakcje mogą przebiegać w obydwu kierunkach np: p+ p γ + γ 10

Big Bang whole picture http://outreach.web.cern.ch/outreach/public/cern/picturepacks/bigbang.html

Łamanie symetrii oddziaływań 10 19 GeV 10 14 GeV 100 GeV 1 GeV 10 mev

Big Bang (1) 19 10 GeV Wielka Unifikacja wszystkie oddz. nierozróżnialne bozonów X, Y tyle co np. kwarków leptony kwarki { (B-L)=0} Plazma kwarkowo-gluonowa BozonyX, Y znikają Prawd. pojawia się nadmiar materii nad antymaterią wskutek rozpadów ciężkich neutrin N?? ν µ ν e 14 10 GeV

Big Bang (2) ν e ν µ rozdzieliły się oddz. słabe od elmgt znikły kwarki top, znikają W i Z 100 GeV kwarki i gluony ukryły swoje kolory w hadrony neutrony częściej rozpadają się niż są produkowane neutrina mają zbyt małą energię na procesy: + ν + ν e + e -powstają reliktowe neutrina ν e ν µ 1 MeV

Big Bang (3) ν e 0,1 MeV ν µ zbyt mało energii na γγ + ee pozytrony znikają powstają lekkie jądra - Nukleosynteza elektrony związane w atomach fotony oddz. zbyt wolno odprzęgają się od materii i lecą swobodnie: powstają reliktowe fotony mikrofalowe promieniowanie tła ν e ν µ 2 ev

Nukleosynteza Wiek Wszechświata ~1 sek Od początku BB większość cięższych cząstek zanihilowała ze swoimi antycząstkami Zostało 10 9 razy więcej ν i γ niż barionów Zachodzą reakcje: Ale: ν + n e + p ( ) 2 n p 1,3 MeV Q= M M c = Ponadto czas życia neutronu e ν + p e + n n e + p+ ν e N N n p + Q = exp = 0, 23 kt τ = 896 s W efekcie po czasie 400 sek pozostaje: Nn 0,14 N = p e Ale część neutronów jest wiązana w jądrach i dalej się nie rozpada

Nukleosynteza Jądra powstają w elmgt procesach: Atomy powstają 300 000 lat później. n+ p H + γ 2 2 3 n + H H+ γ 3 4 p + H He+ γ 2 3 p + H He+ γ 3 4 n + He He + γ Produkcja różnych jąder silnie zależy od stosunku gęstości materii do kwantów γ. Okazuje się, że obserwowane gęstości różnych pierwiastków zgadzają się z przewidywaniami dla: N B N γ 5,5 10 10 Eksperymentalne potwierdzenie Wielkiego Wybuchu

Liczba neutrin w modelu BB Szybkość ekspansji zależy od gęstości energii, a ta z kolei zależy od liczby zapachów neutrin: N ν Im szybsza ekspansja tym mniej neutronów zdąży się rozpaść i tym więcej jąder helu powstaje. N ν = 3 zakres dopuszczalny dla innych jąder zgodnie z pomiarami w LEP

Promieniowanie mikrofalowe tła Wg zależności: 1 MeV kt t można się spodziewać, że dziś temperatura prom. we Wszechświecie wynosi kilka K. Widmo energii fotonów zgadza się z krzywą dla ciała czarnego. pomiar z satelity COBE (1999) W 1965 r Penzias i Wilson wykryli mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). Jego temp.: T = 2,725 ± 0,001 K Kolejna obserwacja potwierdzająca Wielki Wybuch

Pomiar anizotropii przez WMAP Satelitarny eksperyment Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. zbiera dane od 2001 r. Zbadał precyzyjnie fluktuacje temperatury z precyzją 10-5. Obraz Wsz. w wieku 300 000 lat. Fluktuacje dawały ośrodki zgęszczania materii, z których powstały galaktyki Fluktuacje mogą pochodzić z ery inflacji. Jeśli np. inflacja nastąpiła gdy: 34 t = 10 s -26 ct=10 m 14 kt 10 GeV to z zasady Heisenberga można się spodziewać kwantowych fluktuacji ( kt ) ( kt ) kt c 10 10 GeV ct 10 4

Pomiar anizotropii przez WMAP n γ Korelacje kątowe temp. umożliwiły na wyznaczenie wielu parametrów np: = 410cm 3 3 nν = Nν nγ 335cm 11 Funkcja korelacji: 3 C( ϑ) = δt( m) δt( n), mn = cosϑ skala kątowa Również bilans energii Wszechświata: Ω = 1, 02 ± 0, 02 tot ΛCDM

Ω= ρ ρ Co wiemy o? c Świecąca materia a więc gwiazdy, gaz: γ 5 ( 4,6 0,5) 10 Ω = ± Bariony widoczne lub niewidoczne obliczone z nukleosyntezy Ω = b 0,042 + 0,003 0,005 Całkowita materia wydedukowana z grawitacyjnej energii potencjalnej galaktyk itd. Ω = m 0,24 + 0,03 0,04 Ω = 1, 02 ± 0, 02 tot geometria płaska k=0 Ciemna materia: Ω =Ω Ω = Ciemna energia DM m b Ω = Λ 0,20 + 0,02 0,04 0,04 0,76 + 0,06

Ciemna Materia 1933 r. - Fritz Zwicky, gromada COMA. Prędkość obrotu galaktyk wokół wspólnego środka masy zbyt duża aby mogły one tworzyć układ związany. coma Lata 70,80 krzywe rotacji galaktyk; halo niewidzialnej materii (?) sferyczne halo ciemnej materii otaczające galaktykę P. Mijakowski Niewidzialna materia, oddz. tylko grawitacyjnie

Ciemna materia 2006 r. analiza rozkładu masy w obszarze przechodzących przez siebie gromad galaktyk (1E0657-558) (*) Soczewkowanie grawitacyjne - potencjał grawitacyjny (obrazy z Hubble Space Telescope, European Southern Observatory VLT, Magellan) / fioletowy Promieniowanie X - Chandra X-ray Observatory (NASA) /różowy 1E0657-558 Masa gazu typowo 2x większa od masy materii świecącej w galaktykach Wynik: koncentracja masy grawitacyjnej tam gdzie znajdują się galaktyki Obszary emisji prom. X: 10% całkowitej masy układu Potwierdzenie dla Ciemnej Materii (*) D.Clowe et al. 2006 Ap. J. 648 L109 P. Mijakowski

Ciemna Materia - kandydaci Istniejące cząstki MACHO s (Massive Astronomical Compact Halo Objects), np. brązowe karły, gwiazdy neutronowe, czarne dziury Neutrina (Hot Dark Matter - HDM) Postulowane cząstki: Aksjony < 7% masy halo galaktycznego (eksp. EROS) formacja struktur wymaga CDM WIMP-y (Weakly Interacting Massive Particles) - wolne, masywne, neutralne cząstki, słabo oddziałujące z materią (Cold Dark Matter - CDM) P. Mijakowski

WIMP Słabo Oddziaływująca Masywna Cząstka (WIMP Weakly Interacting Massive Particle) Neutralnych Długożyciowych (z τ ~ czas życia Wszechświata) Masywnych ( M χ ~ 100 GeV) Słabo odziałujących z materią σ 10-2 pb (10-38 cm 2 ) dobry kandydat na WIMP-a: Poszukujemy cząstek: Przykładowe diagramy (neutralino) neutralino χ (SUSY) - najlżejsza cząstka supersymetryczna LSP (Lightest Supersymmetric Particle), jest stabilna (zachowanie parzystości R w SUSY) neutralino(χ) 18 GeV < M χ < 7 TeV P. Mijakowski LEP kosmologia

Detekcja pośrednia - neutrina ρ χ χ Słońce Ziemia σ scatt ν µ ν int. µ int. Γ capture Γ annihilation χ Z ν detektor µ χ W teleskopach neutrinowych nie zaobserwowano dotychczas nadwyżki neutrin ze Słońca, centrum Ziemi, centrum Galaktyki w stosunku do oczekiwanego tła P. Mijakowski ν

Detekcja bezpośrednia mierzymy energię jąder odrzutu z elastycznego rozpraszania WIMP-ów χ + (A,Z) wspoczynku χ + (A,Z) odrzut T odrzutu ~ kev detektor Jądro odrzutu Wiele eksperymentów, wiele nowych projektów... Stay tuned.

Asymetria materia-antymateria Symetria sugeruje, że Wielki Wybuch (BB) wyprodukował te same ilości materii i antymaterii. Stąd obecnie obserwowana nadwyżka materii musiała pojawić się na skutek procesów, które nie są symetryczne względem transformacji CP. Eksperymenty nad mezonami K i B wykazały łamanie symetrii CP w sektorze kwarków. Obserwowane łamanie CP może być opisane w ramach Modelu Standardowego, ale nie wystarcza ono do opisu obserwowanej nadwyżki materii. Pytanie: czy łamanie CP w sektorze leptonowym może wyjaśnić te nadwyżkę?

Leptogeneza Najpopularniejsze wytłumaczenie asymetrii materii poprzez tzw. Leptogenezę Jeśli neutrina są cząstkami Majorany, to elegancki sposób generacji masy wynika z oddziaływania z cząstką H zarówno znanych lekkich neutrin ν jak i bardzo ciężkich neutrin N o masach 10 (9-15) GeV. N powinny być produkowane w bardzo wczesnych chwilach BB. Ponieważ: N N więc możliwe rozpady: N l +... Jeśli: to: N + l +... CP ( N l...) ( N l + Γ + Γ +...) gdzie l +, l - to naładowane leptony mamy nadwyżkę leptonów nad antyleptonami czyli Leptogenezę. Stąd nadwyżkę barionów można dostać poprzez tzw. sfalerony.

Niezachowanie CP dla neutrin Majorany Czyli kluczem do zrozumienia nadwyżki materii jest zbadanie różnic w oscylacjach: ν ν i ν ν Może się wydawać, ze jeśli ν ν to czym się różnią np: ν α β α β νµ ν µl el ν Różnica jest taka, że w rozpadach π+ neutrino jest głównie LH i w konsekwencji po oscylacji produkuje e- i odwrotnie dla π : + + π µ + ν µl νµ π µ + ν µr ν e ν µr er e ν el + N e +... ν + ν er + N e +... Jeśli hipoteza Leptogenezy jest prawdziwa to wszyscy bierzemy się z ciężkich neutrin.

Podsumowanie Kosmologia i fizyka cząstek są blisko związane Kosmologia stała się dziedziną eksperymentalną Teoria Wielkiego Wybuchu potwierdzona przez np: pomiary mikrofalowego promieniowania tła częstości występowania lekkich pierwiatków ALE Nie wiemy co stanowi 90% energii Wszechświata ciemna materia? ciemna energia? Nie rozumiemy jak w trakcie ewolucji Wszechświata złamana została symetria materia-antymateria