Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata Czy może się to zdarzyć na Ziemi?
Świat pod lupą materia: 10-4 m kryształ: 10-9 m ρ=2 3 g/cm 3 atom: 10-10 m jądro: 10-14 m nukleon: 10-15 m (1fm) ρ=10 17 g/cm 3 kwarki i gluony 10-19 m
oddziaływanie elektromagnetyczne Nowoczesny model atomu 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!
Jednostki Mikroświat Długość [m] 1 nm = 10-9 nm 500 nm światło widzialne 1 fm = 10-15 fm 3-4 fm odległości pomiędzy nukleonami w jądrze Energia E [J= N*m/s 2 ] [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 ] poprzez energię E = mc 2 oraz c=1 GeV masa protonu 0.94 GeV =1.67*10-27 kg pęd p [kg * m/s] GeV Długość fali cząstki λ = h/p ~1fm cząstka o p ~1 GeV Temperatura T [K] poprzez energię E=k T 1 MeV 1.1 *10 10 [K]
Podstawowe niepodzielne składniki materii 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
Atom wodoru: oddziaływanie elektromagnetyczne ( Siła Coulomba) Energia wiązania a masa Cząstka α = 4 He Oddziaływanie jądrowe(silne) Energia jonizacji U Energia jonizacji U m (H)= m proton + m elekron + U U = - 13.6 ev E = mc 2 2*(M p +M n ) M He ΔU= -0.0304u
Skąd się wzięła materia??
Podróż do początku wszechświata Milionów Lat Milion Lat Wielkiego Wybuchu Lat Minuty sekunda sekund sekund sekund 380.000 lat
Dowody na "wielki wybuch" Ekspansja wszechświata Promieniowanie tła (389 000 lat po wybuchu) Nukleosynteza (1s-3minuty po wybuchu)
Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Linie absorpcji wodoru λ = V λ 0 c odb, źródła V = V V źródła c obd, źródła źr V odb p e λ λ = 8 c ( = 3*10 m / s) f Słońce Daleka gwiazda
Pomiar odległości okres gwiazd zmiennych (Cefeidy) Jasność f( T)-> odległość prędkość odległość V = H D E. Hubble 1929 <H> = 70 km/s Mpc = 1/(13.5 10 9 lat) Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa się z odległością (D)
Widma promieniowania fotonów określa temperaturę obiektu Np: dla słońca poprzez pomiar fotonów Jak gorący jest wszechświat
Prawo Plancka promieniowanie ciała doskonale czarnego M. Planck 1900 ρ( v, T ) = A 3 hv exp( hv / kt ) 1 dla dużych energii : ρ( v) exp( E / kt ) E = hν długość fali (nm) T powierzchni słońca = 5000 K T jądra słońca =15*10 6 K gęstośc fotonów = 4 10 12 fotonów/cm 3
Pozostalość po wybuchu-poświata promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K 1989 satelita COBE 2001-2006 Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali 0.0002K! Poświata z wszechświata który miał 380.000 lat i T=3000 K! Wilson, Penzias 1964-1978 Nagroda Nobla
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; Model W. Wybuchu odtwarza te stosunki!
Materia we wszechświecie Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza!! co stanowi ciemną materię Dark matter? co jest ciemną energią? dlaczego wszechświat widzialny składa się tylko z materii a brak jest anty-materii?
Czy człowiek może odtworzyc akt stworzenia materii Można odtworzyć sytuację która istniała ~1 µs po wielkim wybuchu
Proton kwarki są uwięzione Kwarki uwolnione? Jądro składa się z nukleonów Plasma kwarkowogluonowa ~ 1 µs po W. Wybuchu T = 2*10 12 K Czy można to zrobić dziś i na Ziemi????
Natura Plasma Nukleony Jądra at. Atomy Dziś Big-bang 10 6 sec 10 4 sec 3 min 13.5 miliardów lat Experiment : zderzenie jąder atomowych przyspieszonych do bardzo dużych prędkości
Gdy zbliżamy się do prędkości światła obowiązuje Relatywistyczne teoria względności (A. Einstein) parę przykładów: Rośnie masa cząstki : m = γ m 0 długość ulega skróceniu w kierunku ruchu: γ = l= l 0 / γ 1 1 v c 2 2 czas ulega wydłużeniu t = γ t 0 Np. dla cząstki poruszającej się z v= 0.999999991 c masa wzrasta ~ 7000 razy! dlugość skraca się ~ 7000 razy!
Jak zrealizować taki eksperyment na ziemi?
Jak przyspieszyć cząstki do tak duże energii? pole elektryczne : E = q * U E = 2π E0 cos(2πf t x) λ f częstotliwość λ - dlugość fali x
Jak utrzymać przyspieszane cząstki na stałym torze? F = q( v B) = mv R 2 pole magnetyczne: magnesy B
Największe akceleratory świata TEVATRON 20 km od Chicago 2 pierścienie protonów i antyprotonów p pronieniu R = 1km. Przyspiesza do energii 1 TeV (1000 GeV!) każdy LHC koło Genewy 1 pierścień dla 2 wiązek protonów o pronieniu R = 4.3 km. Przyspiesza do energii 7 TeV (1000 GeV!) każdy
LHC Tunel : 175 m pod ziemią SPS LargeHadronCollider : protony są przyspieszane do prędkości 0.999999991 c w ciągu 20 minut i zamknięte w 2 pierścieniach o T=1.9 K, krążąc, około dzień energia 7 TeV dla protonów 570 TeV dla jąder Pb ( odpowiada energii 5.9µJ) 2 wiązki protonów mogą zderzać się co 25 s
Jak zarejestrować pojedynczy proces zderzenia cząstek: Detektor Widok z boku
ALICE @ LHC ITS TRD TPC 60000 naladowanych czastek Start w 2008!
2.76 TeV zderzenia Pb + Pb
Podsumowanie Wszechświat ma około 13.9 mld lat Model Wielkiego wybuchu tłumaczy: promieniowanie tła skład materii we wszechświecie (H, He, Li) rozszerzania się wszechświata (ucieczka galaktyk) Znana (widzialna) materia we wszechświecie to tylko 4% Wielki przyspieszacze cząstek (LHC) umożliwiają odtworzyć warunki panujące we wszechświecie po około 10-6 sekundy kiedy materia składała się elementarnych kwarków, leptonów +???
Jak wygląda jedno zderzenie Au+Au? Relativistic Heavy Ion Collider RHIC
The Relativistic Heavy Ion Collider:RHIC RHIC Wewnątrz tunelu Przyspieszane cząstki Au + Au p + p Maxymalna Energia 200 GeV 500 GeV Ilość zderzeń na sek 1.4 x 10 3 s -1 6 x 10 5 s -1 34
Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek Widmo lekkich cząstek (pionów) dn de E K Rozkład Boltzmana cząstek termicznych (nierelatywistyczny): k = = c 3 2 kt E k ( kt ) 3/ 2 exp( E K / T ) Slope T 120 MeV Energia kinetyczna Nachylenie widma ~Temperatura w momencie zastygnięcia fireball thermall freeze-out T = 100 MeV T 10 12 K
Temperatura Obserwacja: Temperatura zależy od masy cząstek " bez ekspansji źródła keine Expansion powód: Kula ognista rozszerza się z prędkością V. Materią uległa kompresji: E kin 3/2kT + ½ mv 2 T = 120 MeV V ekspansji = 0.55 c Massa cząstki Rozszerzająca się kula ognista
Charakterystyka mikro-wybuchu prprędkość rozsz. [v/c] Temperatura [MeV] 130 MeV Energia wiązki