Tα Θεµελιώδη Ερωτήµατα της Φυσικής και το LHC

Transcript

1 Tα Θεµελιώδη Ερωτήµατα της Φυσικής και το LHC Αναστάσιος Χρ. Πέτκου Τµήµα Φυσικής - Πανεπιστήµιο Κρήτης

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Εισαγωγή. H σύγχρονη αντίληψη για την θεμελιώδη δομή του υλικού κόσμου. Το Καθιερωμένο Πρότυπο, και το σωμάτιο Higgs. Πέρα από το Κ.Π. - Υπερσυμμετρία, Ενοποίηση και Θεωρία Χορδών. Κοσμολογία. Το LHC και πως δουλεύει. Θα καταστρέψει το LHC τον κόσμο; Σκέψεις για την Φυσική του 21ου αιώνα... 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα Θεμελιώδη Ερωτήματα Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας, (δηλ. ποιά είναι τα στοιχειώδη δομικά στοιχεία της ύλης;) Πώς συνδέονται τα δομικά στοιχεία μεταξύ τους, (δηλ. ποιές είναι οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις;) Γνωρίζοντας τα παραπάνω, πως μπορούμε να εξηγήσουμε την Ιστορία του Κόσμου, (δηλ. υπάρχει συνεπές Κοσμολογικό μοντέλο που να εξηγεί την παρατηρούμενη σύσταση του Σύμπαντος [73% σκοτεινή ενέργεια, 23% σκοτεινή ύλη, 4% βαρυονική ύλη] ;)

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ To CERN Το Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (L)arge (H)adron (C)ollider πρωτόνια 7 Tev Ενέργεια 14 TeV λ < m πρωτόνια 7 Tev 10^9 συγκρ./δευτ. Δηµιουργία πρωτονίων ανά σύγκρουση

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τι περιμένουμε από το CERN... Να μάθουμε πως παίρνουν μάζα όλα τα υλικά σώματα - δηλ. να βρούμε το σωματίδιο Higgs. Να μάθουμε τι είναι η Σκοτεινή ΎΎλη - δηλ. να βρούμε το υπερ-ελαφρύ σωμάτιο το οποίο την φτιάχνει. Να βρούμε πιθανά νέα στοιχειώδη σωματίδια και αλληλεπιδράσεις. Να διαπιστώσουμε αν ζούμε σε 3+1 ή περισσότερες διαστάσεις. Να καταλάβουμε την ασυμμετρία ύλης-αντιϋλης, να μάθουμε αν το πρωτόνιο αυτο-διασπάται να βρούμε κάτι που δεν το περιμένουμε!... 6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ..και πως. To LHC είναι ένα μικροσκόπιο Για να δούμε ένα αντικείμενο, σκεδάζουμε φώς πάνω του. Το φώς ανιχνεύεται από το μάτι (αμφιβληστροειδής) και επεξεργάζεται από τον εγκέφαλο. Η διακριτική ικανότητα είναι ανάλογη του μήκους κύματος. Π.χ. οπτικά μικροσκόπια (λ ~ 600 nanometers) μπορούν να διακρίνουν αντικείμενα με Δχ ~ 1 micrometer Δx γ 25 cm

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πώς όμως θα δούμε ακόμη μικρότερα αντικείμενα; Αν χρησιμοποιήσουμε κύματα μικρότερου μήκους θα δούμε περισσότερη λεπτομέρεια. H Κβαντομηχανική μας λέει ότι τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα με: λ = h/p! Θα μπορούσαμε να σκεδάσουμε (από κάτι) και μετά να ανιχνεύσουμε σωμάτια μικρού μήκους κύματος δηλ. μεγάλης ενέργειας! Επιταχύνοντας σωματίδια αποκτούν μεγάλες ορμές (μεγάλες ενέργειες) και επιτυγχάνομε πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα.

9 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Η δομή της ΎΎλης? m πρωτόνιο < m κουάρκ m άτοµο m πυρήνας Δεν υπάρχει ένδειξη περαιτέρω δοµής

10 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Το Καθιερωμένο Πρότυπο - τα Στοιχειώδη Σωματίδια Οι φορείς των αλληλεπίδρασεων Τα συστατικά της ύλης quarks u c d s leptons t b +α ντισ νe νµ ντ e µ τ Γενιές: 1η 2η Δεν ανήκει στο ΚΠ g W,Z ωμα τίδι α γ Ισχυρή G Ασθενής Βαρύτητα Ηλεκτροµαγνητική αναζητείται 3η βαρυόνια (πρωτόνια νετρόνια) μεσόνια (αδρόνια) H Υπεύθυνο για τις μάζες

11 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ αλληλεπίδραση = ανταλλαγή μποζονίου

12 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ αλληλεπίδραση = ανταλλαγή μποζονίου x t Αλληλοεξουδετέρωση - επανεµφάνιση µέσω δυνητικού (virtual) φωτονίου E t (δεν είναι παρατηρήσιµο - υφίσταται 2 για πολύ µικρό χρόνικό διάστηµα.) Ανταλλαγή φωτονίων Aνταλλαγή gluons Ανταλλαγή Σωµατιδίων Z, W ±

13 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Το κβαντικό κενό... είναι κενό; Το κενό είναι η βασική (η ενεργειακά χαµηλότερη) κατάσταση ενός κβαντικού συστήµατος. E t 2 δανεισµένη, για χρόνο Δt, ενέργεια ΔΕ φτιάχνει ζεύγη σωµατιδίων - αντισωµατιδίων Επίσης το κενό µπορεί να περιέχει συµπυκνώµατα (condensates) δηλ. την βασική κατάσταση πεδίων µε µη µηδενική ενέργεια (παράδειγµα το πεδίο Higgs).

14 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Οι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις Ηλεκτροµαγνητική δύναµη Ισχύς: 1/137 Εµβέλεια: άπειρη Ασθενής Πυρηνική Δύναµη Ισχύς: 10-6 Εµβέλεια: m Ισχυρή Πυρηνική Δύναµη Ισχύς: 1 Εµβέλεια: m Βαρύτητα ; Ισχύς: 6*10-39 Εµβέλεια: άπειρη

15 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Το σωµάτιο Higgs Higgs: τελευταίο, αλλά σηµαντικό, στον κατάλογο των σωµατιδίων του Κ.Π. δεν έχει βρεθεί. Γεµίζει όλο τον χωρόχρονο. Έχει µη µηδενική ενέργεια κενού (συµπύκνωµα). Η µάζα των σωµατιδίων εξαρτάται από την ισχύ της σύζευξης τους µ αυτό (τα φωτόνια και gluons έχουν µηδενική σύζευξη µηδενική µάζα). Η µάζα του δεν προβλέπεται στο Κ.Π.

16 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Πώς το Higgs δίνει µάζα στα σωµάτια

17 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Πως εµφανίζεται το ίδιο το Higgs: Αυθόρµητο Σπάσιµο Συµµετρίας H εξήγηση του D. Miller στον Υπουργό Επιστηµών της Μ. Βρετανίας W. Waldegrave, στην ερώτηση του τελευταίου Γιατί οι Βρετανοί φορολογούµενοι πληρώνουν για κάτι - CERN - για το οποίο ελάχιστοι καταλαβαίνουν τι ακριβώς κάνει.

18 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Μερικά προβλήµατα του Κ.Π. Έχει 27 ελεύθερες παραµέτρους -πάρα πολλές! Δεν περιλαµβάνει την Βαρύτητα. Πρόβληµα αισθητικής: το κοµµάτι των φερµιονίων (της ύλης) έχει κοµψή ταξινόµηση ενώ τα µποζόνια (φορείς δυνάµεων) όχι. Πρόβληµα αισθητικής: το πρόβληµα της Ιεραρχίας. Η µάζα του Higgs θα έπρεπε να είναι της τάξης της µάζας του Planck. MP l = c 1, Gev G Κοσµολογικό πρόβληµα: Η ύλη που παρατηρείται στο σύµπαν είναι µόνο 4% (το υπόλοιπο 23% σκοτεινή ύλη, 73% σκοτεινή ενέργεια)

19 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Πέρα από το Κ.Π. - Η Υπερσυµµετρία Κάθε σωµατίδιο έχει υπερσυµµετρικό σύντροφο µε µεγάλη µάζα Τα ελαφρά υπερσυµµετρικά σωµατίδια µπορεί να είναι σταθερά οπότε υποψήφια για σκοτεινή ύλη Λύνεται το πρόβληµα της ιεραρχίας Δυνατότητα ενοποίησης Όµως πολλά σωµατίδια, περισσότεροι παράµετροι

20 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Ενοποίηση των Δυνάµεων Η ισχύς των τριών θεµελιωδών αλληλεπιδράσεων µεταβάλλεται µε την ενέργεια. ασθενείς ΕΜ ισχυρές ασθενείς ΕΜ ισχυρές Υποθέτοντας την ύπαρξη Υπερσυµµετρίας, τρείς από τις θεµελιώδεις αλληλεπιδράσεις ενοποιούνται σε µεγάλες ενέργειες.

21 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Χορδές Υπερχορδές Μεµβράνες κ.λ.π. ς έ τδεν είναι σ Στην θεωρία των χορδών τα στοιχειώδη σωµατίδια ω ν -33 σηµειακά αλλά έχουν µια διάσταση µήκους ~10ις γcm τ!! ς ε α λ τ ό Μια και µόνο χορδή παριστά όλα τα εστοιχειώδη ί ύτη σωµατίδια, που ι ο καιαρχαρακτηρίζονται από είναι οι καταστάσεις διέγερσηςοπτης Β ν ε ν κατάλληλους κβαντικούς αριθµούς σπιν, κλπ). η ν ι τ(φορτίο, ώ δ κα ρ ο λ. χ ρ η ε δ π ς ή κλειστές Υανοιχτές ι Οι χορδές είναι ε α ί σ ρ ά και οι ε κοσµικές ω ιδρ τους επιφάνειες Θ π ανοικτές Η ληήλεκλειστές. Μιααλκλειστή χορδή έχει σπιν 2, µηδενική µάζα = βαρυτόνιο.

22 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Από την Σωματιδιακή Φυσική στην Κοσμολογία Πολλοί πιστεύουν ότι το Σύμπαν δημιουργήθηκε με το Big- Bang, δηλ. με την ανάδυση από το Κβαντικό Κενό μιας τεράστιας ποσότητας ενέργειας ΔΕ, για ένα απειροελάχιστο διάστημα Δt, η οποία στην συνέχεια πάγωσε και εξελίχθηκε στο Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα. Σκεδάζοντας σωματίδια με μεγάλες ενέργειες, δημιουργούμε μικρά Big-Bangs, δηλ. ανάδυση κβαντικής ενέργειας ΔΕ για μικρό - αλλά πεπερασμένο Δt.

23 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Η θερμοκρασία και η ενέργεια σε χρόνο t μετά το Big-Bang είναι: 1010 K T,, t 10M ev E t Με την βοήθεια των επιταχυντών πλησιάζουµε το Big-Bang 23

24 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ t < sec: οι 4 δυνάμεις είναι ενοποιημένες. T= 1032 ok. Η βαρύτητα διαχωρίζεται. Λαμβάνει χώρα η inflation. t < sec: κουάρκ και αντι-κουάρκ. Διαχωρίζεται η ισχυρή δύναμη. T= 1027 o K. Σε t= sec ακολουθούν οι υπόλοιπες. t =0.01 sec, T= 1011 ok: ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. t=1sec, νετρίνα διαφεύγουν. t =3 λεπτά, T= 107 ok: πρωτόνια + νετρόνια = πυρήνες t = χρόνια, T= 3000 ok: ουδέτερα άτομα. Φως διαφεύγει. t =1 δισεκατομμύριο χρόνια, T=20 ok: Γαλαξίες και άστρα. 10 δισεκ. χρόνια ο ΉΉλιος και Σελήνη. t =15 δισεκατομμύρια χρόνια, T=2.7 ok: παρόν.

25 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Προβλήματα της Κοσμολογιας: Ι) Σκοτεινή ΎΎλη Πύρινες αέριες μάζες ανάμεσα στους γαλαξίες ομάδας γαλαξιών. Μελετώντας την κατανομή θερμοκρασίας των αερίων μαζών συμπεραίνομε πόσο συμπιέζονται λόγω βαρύτητας από τους περιβάλλοντες γαλαξίες και έτσι επιτυγχάνομε μέτρηση της μάζας του υλικού τριγύρω τους. Υπάρχει Σκοτεινή ΎΎλη με μάζα 5 φορές μεγαλύτερη της ορατής (εκπέμπει ακτινοβολία) μάζας!

26 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ ΙΙ) Σκοτεινή Ενέργεια Για κλειστό σύστηµα dq=0 (π.χ. το κενό), η διατήρηση της ενέργειας δίδει: Εάν ρ είναι η πυκνότητα ενέργειας του κενού Από τον ορισµό της παραµέτρου Hubble: Δηλαδή για p=-ρ: Σκοτεινή Ενέργεια?

27 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Σκοτεινή Ενέργεια και Κοσμική Επιτάχυνση Από την εξίσωση του Einstein - Friedman: όπου Κ η καµπυλότητα του χώρου: Δηλαδή για p=-ρ: Σύµπαν µε επιταχυνόµενη διαστολή

28 Universe Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Η σύσταση του Σύµπαντος 28 5

29 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΟΣΜΟΥ Η σύσταση του Σύµπαντος Το σύµπαν αποτελείται κυρίως από: σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια Για την Σκοτεινή Ενέργεια ξέρουµε λίγα πράγµατα. Πιθανόν να σχετίζεται µε την ενέργεια του κβαντικού κενού. Για την Σκοτεινή Ύλη υποψήφια είναι τα ελαφρά υπερσυµµετρικά σωµατίδια (όπως το νιουτραλίνο), ή άλλα ελαφρά σωµατίδια όπως τα αξιόνια. Το LHC αναµένεται να δώσει απαντήσεις για την Σκοτεινή Ύλη.

30 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Περιφέρεια του δακτυλίου = 26,6 Km Μέσο βάθος 100m Θερµοκρασία ~ 1.9 K - χαµηλότερη από το διάστηµα! 7 TeV ~ 5 τρισ. κοινές µπαταρίες ~ 7000 πρωτόνια ~ κουνούπια! Ταχύτητα πρωτoνίων ~ c Ολική ενέργεια των δεσµών πρωτονίων ~ TGV συρµός (τρένο)~ 80Κgr TNT. Εύρος δέσµης ~ < mm Κόστος ~ 3.2 δισ. Ευρώ.

31 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων παράγονται σωµατίδια και αντισωµατίδια γ γ E = mc2 p πρωτόνιο γ p p πρωτόνιο γ Η διαθέσιµη ενέργεια είναι 14 TeV!!! (LHC)

32 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Τι χρειάζεται να κάνει ένας ανιχνευτής Πρέπει να καθορίσει: Τι σωµατίδια βλέπουµε; Από πού ήρθαν και πού πάνε; Ποια είναι η ενέργεια και η ορµή τους; Ώστε να καταλάβουµε: Τι συνέβη στη σύγκρουση µεταξύ των σωµατιδίων; Παράχθηκε κάτι σηµαντικό;

33 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Οι πρώτοι ανιχνευτές σωµατιδίων Σύγκρουση σωµατιδίου µε ένα πρωτόνιο του Υγρού Υδρογόνου σε ένα «Θάλαµο φυσαλίδων»

34 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Τροχιοδεικτικός Ανιχνευτής Βασίζεται σε ηλεκτρονικά σήµατα Πολλά λεπτά στρώµατα αισθητήρων π.χ πυριτίου

35 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Θερµιδόµετρο (µετρητής Ενέργειας) Ο συνολικός αριθµός σωµατιδίων είναι ανάλογος της ενέργειας του εισερχόµενου σωµατιδίου Το ρόζ υλικό παράγει ηλεκτρονικό σήµα ανάλογο του αριθµού των φορτισµένων σωµατιδίων που το διασχίζουν

36 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ CMS - Compact Muon Spectrometer

37 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Ο ATLAS είναι διπλάσιος σε µέγεθος! Ο CMS πολύ βαρύτερος (12500 τόνοι) 5-όροφο κτήριο ATLAS CMS

38 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Η πρόκληση για τους µοντέρνους ανιχνευτές Μερικές φορές τα «σηµαντικά» πράγµατα διασπώνται σε ελαφρύτερα (σταθερά) σωµατίδια Πρέπει να εστιάσουµε στα σταθερά σωµατίδια και να διερευνήσουµε για το τι στ αλήθεια συνέβη Δεν γνωρίζουµε αυτά που ψάχνουµε! Τα «ενδιαφέροντα» πράγµατα που ψάχνουµε είναι πολύ σπάνια Πρέπει να κάνουµε εκατοµµύρια συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο! Πρέπει να τα επιλέξουµε και να «πετάξουµε» τα γνωστά γεγονότα σε πραγµατικό χρόνο

39 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Μια «απλή» σύγκρουση στο LHC (Προσοµοίωση) Higgs 4 µιόνια Πού είναι τα µιόνια? Χρειαζόµαστε Μαγνητικό πεδίο! Οι κόκκινες γραµµές δείχνουν τα µιόνια Master Class 23-Μαρτίου-2009 Γ. Κ. Φανουράκης

40 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Θαύµατα του 21ου αιώνα! ATLAS ~2500 Ερευνητές από τους οποίους ~1000 Διδακτορικοί Φοιτητές

41 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Θαύµατα του 21ου αιώνα! Ο ανιχνευτής CMS 100m κάτω από το έδαφος ~2500 Ερευνητές από τους οποίους ~1000 Διδακτορικοί Φοιτητές

42 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Πώς µπορεί να µοιάζει ένα πραγµατικό Higgs που διασπάται σε 2 ηλεκτρόνια και 2 µιόνια: 2 µιόνια 2 ηλεκτρόνια

43 43

44 TO LHC ΚΑΙ ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΕΙ Λίγα λόγια ακόµη για τη τεχνολογία Οι ανιχνευτές του LHC είναι τα πιο πολύπλοκα επιστηµονικά όργανα που κατασκευάστηκαν ποτέ Ένας τυπικός ανιχνευτής του LHC έχει περίπου 100 Εκατοµµύρια αισθητήρες (µια τυπική ψηφιακή φωτογραφική µηχανή έχει περίπου 6 Εκατοµµύρια αισθητήρες ~6 Mpixels) Αλλά παίρνει 40 Εκατοµµύρια «φωτογραφίες» το δευτερόλεπτο! Πρέπει να επιλέξει σε πραγµατικό χρόνο τις 100 καλές «φωτογραφίες»/ανά δευτερόλεπτο! Ο ανιχνευτής πρέπει να λειτουργήσει για περίπου 10 χρόνια σχεδόν χωρίς καµία αλλαγή! Η Τεχνολογία αισθητήρων και ηλεκτρονικών είναι τεχνολογία αιχµής!

45 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; 10^11 πρωτόνια/ cm^3 10^{-13} gr/ cm^3 Η δέσµη του LHC είναι αραιή όσο η ατµόσφαιρα στα 200km ύψος. Η ενέργεια µιας κρούσης είναι ισοδύναµη µε την ενέργεια ένός κουνουπιού που πετά. Πιθανοί κίνδυνοι θεωρούνται Η δηµιουργία stangelets, δηλ. καταστάσεων την ύλης µε ενέργεια µικρότερη από την κανονική ύλη. Αυτό θα είχε σαν συνέπεια την σύντηξη της ύλης γύρω µας µε την απελευθέρωση ενέργειας. Την δηµιουργία µικρών µελανών οπών οι οποίες θα καταπιούν τα πάντα γύρω τους.

46 Cosmic ray flux on Earth ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Flux as a fuction of energy Όλες οι κοσµικές ακτίνες πέρα από την γραµµή έχουν σωµάτια πιο ενεργητικά από το LHC. Κάθε τέτοιο σωµάτιο εκτελεί ένα µικρό πείραµα LHC. All events above Υπολογίζεται this energyότι areέχουν γίνει 10^5 LHC more energetic πειράµατα, µε µεγαλύτερες ενέργειες, than LHC στην επιφάνεια της Γης collisions! κατά την ιστορία της. Cosmic ray energy 25 ΕΙΜΑΣΤΕ ΑΣΦΑΛΕΙΣ! 46

47 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Stranglets Τα πρωτόνια είναι τα ευσταθέστερα σωµάτια. Η αρχή του Pauli δείχνει πως φτιάχνοται. Τα u και d quarks µπορούν να έχουν την ίδια (χαµηλή) ενέργεια. Το επιπλέον u quark πρέπει να έχει ενέργεια λίγο µεγαλύτερη. 47

48 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Stranglets Aν στη θέση του δευτέρου u quark µπεί ένα s(trange) quark, υπάρχει θεωρητικά η δυνατότητα να φτιαχθεί µια κατάσταση χαµηλότερης ολικής ενέργειας. 48

49 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Stranglets Αν µπορούσαν να φτιαχθούν τέτοιες σταθερές καταστάσεις, τότε... Με ταυτόχρονη έκλυση ενέργειας.. 49

50 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Stranglets.. όµως η µόνη παρόµοια κατάσταση που έχει πειραµατικά κατασκευαστεί µέχρι σήµερα είναι:.. η οποία είναι ασταθής και διασπάται σε χρόνο 0.1 δισεκατοµµυριοστό του δευτερολέπτου. 50

51 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Stranglets Οι πιθανότητες να γίνει αυτό είναι όσες και... 51

52 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Μελανές Οπές Για να φτιαχθεί µια µελανή οπή χρειάζεται να χωρέσουµε ενέργεια Ε σε έναν πολύ µικρό χώρο ακτίνας d, έτσι ώστε d < RS = 2GN E Όµως η κβαντοµηχανική µου δίνει: d E 1 1 E> 1019 GeV 1015 ELHC GN Συνεπώς είναι αδύνατον να φτιαχθούν Μ.Ο. στο LHC!! 52

53 ΘΑ ΚΑΤΑΣΤΡΕΨΕΙ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΟ LHC; Μελανές Οπές Οι µόνη θεωρητική περίπτωση να φτιαχθούν Μ.Ο. στο LHC είναι η ύπαρξη έξτρα κρυµµένων διαστάσεων, οι οιποίες να είναι µάλιστα µακροσκοπικές! Δηλ της τάξεως του χιλιοστού! Αυτή είναι µια θεωρητικά πολύ ενδιαφέρουσα ιδέα. Οι Μ.Ο. που θα προκύψουν θα είναι όµως ασταθείες και θα διασπώνται σε σωµάτια τα οποία µπορεί να ανιχνευτούν στο LHC!. 53

54 H σύγχρονη (αγοραία)αντίληψη για την δηµιουργία του Σύµπαντος (πιθανά εσφαλµένη..) E t Ενέργεια Χρόνος Κβαντική Βαρύτητα - Θεωρία των Πάντων - Θεωρία (Υπερ)Χορδών/Μ-Θεωρία

55 Η επιστηµονική κοινότητα είναι κοντά σε µια ενοποιηµένη θεωρία του σύµπαντος που θα το αποκωδικοποιεί ; Νοµίζω πως ναι. Έχουµε πειραµατικά δεδοµένα από τη σωµατιδιακή φυσική και επίσης δορυφόρους, όπως ο Wmap, που µας δίνουν φωτογραφίες από το σύµπαν σχεδόν όπως ήταν στην αρχή του. Αυτά τα δεδοµένα είναι πολύ κοντά στις θεωρητικές βλέψεις που έχουµε για την εξέλιξη του σύµπαντος. Περιµένουµε πολλά από το πείραµα του CERN για να δούµε κατά πόσο µπορούµε να πούµε ότι έχουµε µια ενοποιηµένη θεωρία όλων των δυνάµεων της φύσης. Είναι η πρώτη φορά που το ανθρώπινο είδος φτάνει σε τέτοιου είδους θεωρήσεις. Ποιο θα είναι το επόµενο ερώτηµα, όταν θα απαντηθεί το πώς δηµιουργήθηκε το σύµπαν; Αν φτάσουµε στην αρχή του σύµπαντος, µετά δεν θα έχουµε να πάµε πιο πίσω. Σίγουρα όµως δεν θα µείνουµε άνεργοι. Γνωστός Έλληνας Ακαδηµαϊκός (Εφηµερίδα Μακεδονία της Κυριακής, χθές)

56 I thought, when I wrote A Brief History of Time (1988) that we would one day know the mind of God: indeed, I gave the odds as 50/50 that a theory of everything would emerge by the millennium. But although we made a lot of progress, our ultimate goal still seems about the same distance away. I have revised my expectations downwards: I still think there's a good chance of finding the theory by the end of the century (??), but there's rather more of this one left. Steven Hawking, Master of the Universe: DVD για το Αγγλικό Channel 4, Φεβρουάριος 2008

57 Freeman Dyson stated that: Gödel s theorem implies that pure mathematics is inexhaustible. No matter how many problems we solve, there will always be other problems that cannot be solved within the existing rules. [...] Because of Gödel's theorem, physics is inexhaustible too. The laws of physics are a finite set of rules, and include the rules for doing mathematics, so that Gödel's theorem applies to them. Steven Hawking was originally a believer in the Theory of Everything but, after considering Gödel's Theorem, concluded that one was not obtainable: Some people will be very disappointed if there is not an ultimate theory, that can be formulated as a finite number of principles. I used to belong to that camp, but I have changed my mind.

58 Ευχαριστώ για την προσοχή σας