Od wielkiego wybuchu do gwiazd neutronowych fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkojonowych

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

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

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Elementy kosmologii. D. Kiełczewska, wykład 15

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

oraz Początek i kres

Galaktyka. Rysunek: Pas Drogi Mlecznej

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

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

Neutrina z supernowych. Elementy kosmologii

Ewolucja Wszechświata Wykład 5 Pierwsze trzy minuty

STRUKTURA MATERII PO WIELKIM WYBUCHU

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

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

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wszechświat: spis inwentarza. Typy obiektów Rozmieszczenie w przestrzeni Symetrie

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

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

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna strona wszechświata

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

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

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

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

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

Ekspansja Wszechświata

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

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

Wszechświat czastek elementarnych

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

Oddziaływania fundamentalne

Promieniowanie jonizujące

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Liceum dla Dorosłych semestr 1 FIZYKA MAŁGORZATA OLĘDZKA

Promieniowanie jonizujące

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

MODEL WIELKIEGO WYBUCHU

Podstawy Fizyki Jądrowej

Ewolucja Wszechświata

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 1

Podstawy astrofizyki i astronomii

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Promieniowanie jonizujące

Odległość mierzy się zerami

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 5

PROJEKT KOSMOLOGIA PROJEKT KOSMOLOGIA. Aleksander Gendarz Mateusz Łukasik Paweł Stolorz

- mity, teorie, eksperymenty

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

1100-3Ind06 Astrofizyka

Teoria grawitacji. Grzegorz Hoppe (PhD)

Fizyka i Chemia Ziemi

Atomowa budowa materii

Dr Tomasz Płazak. CIEMNA ENERGIA DOMINUJĄCA WSZECHŚWIAT (Nagroda Nobla 2011)

Analiza spektralna widma gwiezdnego

NUKLEOSYNTEZA I PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

- Cząstka Higgsa - droga do teorii wszystkiego

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Podstawowe własności jąder atomowych

Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata. Michał Jaroszyński Obserwatorium Astronomiczne

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

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

Ciemna strona wszechświata

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla humanistów

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

WYKŁAD 5 sem zim.2010/11

Astrofizyka teoretyczna II. Równanie stanu materii gęstej

Wstęp do astrofizyki I

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Wszechświat cząstek elementarnych (dla humanistów)

Wczoraj, dziś i jutro Wszechświata. Tomasz Bulik

Wstęp do astrofizyki I

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Ciemna strona Wszechświata

Porównanie statystyk. ~1/(e x -1) ~e -x ~1/(e x +1) x=( - )/kt. - potencjał chemiczny

Stany skupienia (fazy) materii (1) p=const Gaz (cząsteczkowy lub atomowy), T eratura, Tempe Ciecz wrzenie topnienie Ciało ł stałe ł (kryształ)

[C [ Z.. 2 ]

Od Wielkiego Wybuchu do Gór Izerskich. Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny UWr Zakład Fizyki Słońca CBK PAN

Ciemna strona Wszechświata

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

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

NIEPRZEWIDYWALNY WSZECHŚWIAT

Czarne dziury. Grażyna Karmeluk

WYKŁAD 7. Wszechświat cząstek elementarnych. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Reakcje syntezy lekkich jąder

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Oddziaływanie cząstek z materią

Niezachowanie CP najnowsze wyniki

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Reakcje syntezy lekkich jąder

Zderzenia relatywistyczne

Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Wykłady z Geochemii Ogólnej

Transkrypt:

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

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

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

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

Jednostki Mikroświat/Makroświat Długość [m] 1 nm = 10-9 nm 500 nm światło widzialne 1 fm = 10-15 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 0.9382 GeV/c 2 938 MeV/c 2 1.67*10-27 kg E = mc 2 Masa neutronu 0.9395 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]

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

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.

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

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

Prawo Hubble V (t)= H (t) D <H> = (72 ±8) km/s Mpc = 1/(15 10 9 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

Widma promieniowania fotonów określa temperaturę obiektu

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)

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 1964-1978 Nagroda Nobla

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

Pozostalość po wybuchu-poświata 2001-2006 Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali 0.0002K! Poświata wykazuje pewne anizotropowości ale jest zadziwiająco jednorodna!

Jak wyjaśnić te obserwacje..

Proste wyprowadzenie dla Λ=0

Szacowanie wieku wszechświata

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!

Atom wodoru Atom wodoru: oddziaływanie elektromagnetyczne ( Siła Coulomba) Energia jonizacji U m (H)= m proton + m elekron + U U = - 13.6 ev Na pewnym etapie ewolucji wszechświat składał się z mieszaniny atomów wodoru oraz fotonów w równowadze termodynamicznej (czyli ustalonej T) E = mc 2

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

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]

Parę wniosków

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; 0.25 4 He/H 10 3 2 H/H 10 4 3 He/H 10 9 7 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

Synteza/dezintegracja jądra Cząstka α = 4 He Oddziaływanie jądrowe(silne) Energia jonizacji U Dla wodoru: m (H)= m proton + m elekron + U U = - 13.6 ev 2*(M p +M n ) M He E = mc 2 Q=ΔU= 0.0304u Q=23.8 MeV

Nukleosynteza Energia przypadająca na cząstkę wynosi wtedy kt, np. wartość Q (ciepła reakcji) dla pierwszej reakcji wynosi Q =2.2 MeV(T 10 10 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

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

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

0.25 4 He/H 10 3 2 H/H 10 4 3 He/H 10 9 7 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

Szacowanie gęstości krytycznej

Problemy tww N γ = 411/cm 3

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..)

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

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

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

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

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!

t=300 000 lat ~ 1 ev ~3000 K t=10-12 s ~ 1 TeV -LHC

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

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!

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