ΑΡΧΑΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

Transcript

1 ΣΕΙΡΑ ΔΙΑΛΕΞΕΩΝ ΣΤΟΝ ΙΑΝΟ Αθήνα, 27 Απριλίου, 2006 ΑΡΧΑΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Το Δικαίωμα του Ανθρώπου να Γνωρίζει τα Μυστικά της Δημιουργίας και Εξέλιξης του Σύμπαντος Πάνος Ραζής Καθηγητής Φυσικής Υψηλών Ενεργειών Πανεπιστήμιο Κύπρου UCY HEP Εισαγωγή Στοιχειώδη Σωμάτια Αλληλεπιδράσεις Ιστορία του Σύμπαντος Σύγχρονες Εξελίξεις Εφαρμογές Συμπεράσματα

2 Εισαγωγή Το Σύμπαν είναι μοναδικό, δεν μπορεί να ρυθμιστεί ως πειραματικό εργαστήριο (παρατήρηση/θεωρία) Η εικόνα του επηρεάζεται από τις δοξασίες μας Απαιτεί διεπιστημονική προσέγγιση Η μελέτη της δομής και των νόμων του γίνεται: πηγαίνοντας πίσω στο χρόνο επιταχυντές αφήνοντας το βέλος του χρόνου να φτάσει σε μας αστροσωματιδιακή φυσική Αρχαιολογία του Σύμπαντος Αρχαιολογία πραγματική, ανεξάρτητη από την ύπαρξη και τα έργα του ανθρώπου Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 2

3 Εισαγωγή Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 3

4 Κλίμακες της Ύλης Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 4

5 Στοιχειώδη Συστατικά Ιστορική Εξέλιξη των Δομικών Λίθων της Ύλης Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 5

6 Υποδιαίρεση της Ύλης Ταξίδι προς το Μικρόκοσμο Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 6

7 Στοιχειώδη Σωματίδια Ύλης Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 7

8 Κλασσικά Πεδία Δυνάμεων Sir Isaac Newton Ενοποίηση Γήινης και Ουράνιας Βαρύτητας Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 8

9 Κλασσικά Πεδία Δυνάμεων F = kq Q r James Clerk Maxwell Ενοποίηση Ηλεκτρισμού και Μαγνητισμού Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 9

10 Κβαντομηχανική 1. Κβάντιση Φυσικών Μεγεθών Τα φυσικά μεγέθη παίρνουν διακριτές τιμές e N e e Max Planck E 2 E 1 =hν Erwin Schrödinger <Ψ 2 > mvr = nh/2p Niels Bohr Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 10

11 Κβαντομηχανική 2. Δυϊσμός Ύλης...τα στοιχειώδη συστατικά της ύλης συμπεριφέρονται ως σωματίδια-κύματα... Ε =hv=hc/λ λ =h/p Louis de Broglie Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 11

12 Αλληλεπιδράσεις 3. Διάδοση Αλληλεπίδρασης...η δράση ενός πεδίου δεν είναι στιγμιαία, διαδίδεται μέσω σωματιδίων με μέγιστη ταχύτητα C=3x10 8 m/s... Albert Einstein Ειδική Σχετικότητα Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 12

13 Αλληλεπιδράσεις 4. Κβάντιση Πεδίων / Διαδότες Η/Μ Ασθενείς Ισχυρές Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 13

14 Αλληλεπιδράσεις 5. Ιδιότητες Αλληλεπιδράσεων οι αλληλεπιδράσεις έχουν εμβέλεια και ισχύ f(e) Αλληλεπίδραση Φορέας Πηγή Εμβέλεια (m) Ισχυρή Γκλουόνια Χρώμα Σχετική Ισχύς 1 Παράδειγμα Πρωτόνια, Quarks Ηλεκτρομαγνητική Φωτόνιο Ηλεκτρικό Φορτίο Άπειρη 10-2 Ατομικές Μεταπτώσεις Ασθενής W ±, Z Υπερφορτίο Ραδιενεργές Διασπάσεις Βαρύτητα Βαρυτόνιο Άπειρη Ηλιακό Σύστημα Μάζα Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 14

15 Βαρύτητα - Χωρόχρονος 6. Δομή του Χωρόχρονου ο χωρόχρονος καθορίζει στην ύλη πως θα κινηθεί και η ύλη καθορίζει στο χωρόχρονο πως θα καμπυλωθεί, John. A. Wheeler Albert Einstein Γενική Σχετικότητα Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 15

16 Βαρύτητα - Χωρόχρονος καμπύλωση του φωτός παρατηρούμενη θέση κατά την έκλειψη πραγματική θέση Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 16

17 Κβαντομηχανική/Ειδική & Γενική Σχετικότητα 7. Αρχή Αβεβαιότητας /Φύση του Κενού Werner Heisenberg E=mc 2 E=kT E=hc/λ c = 300,000,000 m/s k = 10-4 ev/ 0 K h = 4 x ev s ΔΕ Δt /2 ΔP Δx / Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 17

18 Ενοποίηση Αλληλεπιδράσεων Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 18

19 Big-Bang / Ιστορία του Σύμπαντος Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 19

20 Big-Bang / Ιστορία του Σύμπαντος 1. Εποχή Κβαντικής Βαρύτητας t = s θ = K Ε=10 19 GeV L=10-34 m Η βαρύτητα χωρίζει από τις άλλες 3 δυνάμεις Μεταβολή Φάσης Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 20

21 Big-Bang / Ιστορία του Σύμπαντος 2. Εποχή Πληθωριστικής Ανάπτυξης t = s θ = K Ε=10 16 GeV L=10-32 m Πληθωριστική Ανάπτυξη 4. Ηλεκτρασθενής Περίοδος t = s θ = K Ε=100 GeV L=10-18 m Αποσύνδεση Ασθενούς Δύναμης Εξαΰλωση quarks-antiquarks Μεταβολή Φάσης 3. Εποχή Αποσύνδεσης της Ισχυρής Δύναμης t s Περίσσεια ύλης από αντιύλη Quark-Gluon Plasma Εποχή Μεγάλης Ενοποίησης Μεταβολή Φάσης t = 10-6 s θ = K Ασυμμετρία Ύλης-Αντιύλης Ν ύλη /Ν γ

22 Big-Bang / Ιστορία του Σύμπαντος 5. t = 10-4 s θ = K Ε=1 GeV L=10-16 m Σχηματισμός P, N 7. t = 3 min θ = K Ε=0.1 MeV L=10-12 m Σχηματισμός πυρήνων 6. t = 1 s θ = K Ε=1 MeV L=10-15 m Αποσύζευξη νετρίνο 8. t = 300,000 χρόνια θ = K Ε=0.5 ev L=10-10 m Σχηματισμός ατόμων Αποσύζευξη φωτός Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 22

23 Big-Bang / Ιστορία του Σύμπαντος 9. t = 10 9 χρόνια θ = 18 0 K Σχηματισμός βαρύτερων πυρήνων μέχρι το σίδηρο Σύνθεση Γαλαξιών 10. t = 13x10 9 χρόνια θ =3 0 K Σήμερα Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 23

24 Επιβεβαίωση Συμβατικού Μοντέλου Big-Bang (α) Διαστολή Σύμπαντος Ταχύτητα Απομάκρυνσης km/sec Απόσταση Mpc Edwin Hubble Νόμος του Hubble V = H 0 R H 0 65 Km s -1 Mpc Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 24

25 Αποδείξεις συμβατικού μοντέλου Big-Bang (β) Ισοτοπική αφθονία ελαφρών Στοιχείων ( Η, He, d, 3 He, 7 Li) Βαρύτερα στοιχεία: (α) Η πυρηνική σύντηξη που συντελείται στο εσωτερικό των αστέρων φτιάχνει μέχρι το σίδηρο (β) Στο εσωτερικό των ερυθρών γιγάντων και σε εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων γίνεται σύλληψη νετρονίων και διάσπαση βήτα A B+ e + ν Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 25

26 Αποδείξεις συμβατικού μοντέλου Big-Bang (γ)κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 26

27 Προβλήματα συμβατικού μοντέλου Big-Bang (1) Πρόβλημα του Ορίζοντος: πως μπορεί τα διάφορα μέρη του Σύμπαντος να βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία χωρίς να έχουν θερμική επαφή μεταξύ τους; (2) Επίπεδο Σύμπαν: η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα (ρ/ρ c 1) (3) Μαγνητικά Μονόπολα: Θα έπρεπε να βλέπαμε ένα αριθμό από μαγνητικά μονόπολα λόγω συμμετρίας του ηλεκτρικού με το μαγνητικό πεδίο Λύση: Πληθωριστικό Μοντέλο Σύμπαντος Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 27

28 Πληθωριστικό Μοντέλο The Inflationary Universe Το Πληθωριστικό Σύμπαν ΧΡΟΝΟΣ SEC Time in seconds Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 28

29 Ταξίδι πίσω στο Χρόνο Θερμοκρασία 0 Κ Ήλιος Χρόνος Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 29

30 Πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών-CERN Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 30

31 Πείραμα L3 ( ) e + e - hadrons E CM = GeV L= ~10 32 cm -2 s -1 B= 0.5 Tesla Πείραμα L3 LEP τούνελ Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 31

32 Μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα Αριθμός οικογενειών νετρίνο + - ee HZ Hqq m > GeV 32

33 Μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα (1) Μέτρηση αριθμού οικογενειών Neutrino εμμέσως N ν =2.98±0.05 άμεσα N ν =2.98±0.07±0.07 (2) Πρόγνωση μάζας top quark m t (LEP) = 177±11±19 GeV m t (CDF) = 174±10±13 GeV (3) Μέτρηση Z 0 lineshape M Z = ± GeV Γ Ζ = ± GeV (4) Αναζήτηση νέων σωματιδίων M H >106 GeV SM Higgs M H >108 GeV M h >80.5 GeV MSSM M H <215 GeV M A >81.0 GeV M H± >65.0 GeV (5) Αναζήτηση διεγερμένων σωματιδίων me* > 92.4 GeV mνe*> 93.4 GeV mμ* > 92.4 GeV mνμ* >93.5 GeV mτ* > 91.7 GeV mντ* > 90.2 GeV Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 33

34 Μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα (6) Αναζήτηση για Υπερσυμμετρική Σκοτεινή Ύλη Neutralino s Χ 0 1, Χ0 2, Χ0 3, Χ0 4 Χ 0 1 = Lightest Supersym. Particle (LSP) m 0 Χ 1 > 32.5 GeV (7) Tests QED / Μελέτη σπανίων διασπάσεων Br (Z μτ )<19 x 10-6 Br(Z π0γ) <5.2x10-5 Br (Z eτ )<13 x 10-6 Br(Z γγ) <5.2 x 10-5 Br(Z eμ ) <6 x 10-6 Br(Z ηγ) <7.6 x 10-5 (8) Μέτρηση των ιδιοτήτων του W M w = ±0.058±0.064 Γ w = 2.19±0.14± Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 34

35 Μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα 35 Η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταβάλλεται : f (E)

36 Μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα Χωρίς Υπερσυμμετρία ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Συμμετρία ανάμεσα στα σωματίδια ύλης και τα σωματίδια που διαδίδουν τις αλληλεπιδράσεις Με Υπερσυμμετρία Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 36

37 Επιταχυντής LHC Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 37

38 LHC τούνελ Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 38

39 Πείραμα CMS στο LHC Κρούσεις P-P E CM = 14 TeV L= cm -2 s -1 B= 4 Tesla Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 39

40 Ανιχνευτικά Συστήματα του CMS Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 40

41 Συνθήκες στο LHC Υψηλή Ένταση Μαγνητικού Πεδίου 4 Tesla Μεγάλη Διάρκεια >10 Χρόνια Συνθήκες LHC L = cm -2 s -1 Υψηλή Συχνότητα 40 MHz Μεγάλη Ακτινοβολία μέχρι 6.5 Gy/h Θερμική / Μηχανική καταπόνηση t Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 41

42 Ανιχνευτικά Συστήματα (γενικά) Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 42

43 ΟΜαγνήτηςτουCMS Πρώτος τροχόs: CMS Barrel Yoke Wheel Δίσκοι (μικρές γωνίες) 43

44 Αναζήτηση του Σωματιδίου Higgs Προσομοίωση higgs 4 μιόνια Το higgs δίνει μάζα σε όλα τα άλλα σωματίδια Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 44

45 Αναζήτηση του Σωματιδίου Higgs M γγ (GeV) M γγ (GeV) H γγ ( GeV) Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 45

46 Σύγχρονες Εξελίξεις COsmic Background Explorer COBE Ανομοιογένεια στην Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου Ανομοιομορφίες 1/100, Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 46

47 Σύγχρονες Εξελίξεις COBE -100 T (μκ) +100 WMAP -200 T (μκ) +200 Ανομοιογένεια: Κοσμική Μικροκυματική Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 47 Ακτινοβολία Υποβάθρου

48 Σύγχρονες Εξελίξεις Πρόγνωση για ένα επίπεδο Σύμπαν με Ω m =0.27 and Ω Λ = 0.73 WMAP: Hinshaw et al Ηχώ από το Big-Bang Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 48

49 Σύγχρονες Εξελίξεις Γεωμετρία Σύμπαντος ΑΝΟΙΚΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΚΛΕΙΣΤΟ Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 49

50 Σύγχρονες Εξελίξεις Survey τύπου 1a Supernova με μεγάλο redshift Το Σύμπαν διαστέλλεται με πιο αργό ρυθμό Perlmutter et al. 1998, Riess et al., Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 50

51 Σύγχρονες Εξελίξεις Νέα εξέλιξη Περιεχόμενο Ύλης Σύμπαντος Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 51

52 Σύγχρονες Εξελίξεις παρατήρηση 2 mv GMm GM = v = 2 r r r θεωρία Ύπαρξη Σκοτεινής Ύλης Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 52

53 Σύγχρονες Εξελίξεις Ταλαντώσεις στο Κενό P αβ 0 P αβ ευαίσθητη στο Δm 2 P αβ ½ sin 2 2θ Ταλαντώσεις στην παρουσία Ύλης (MSW effect) Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 53

54 Σύγχρονες Εξελίξεις Πρωτογενής Κοσμική Ακτινοβολία Ενέργεια ev Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 54

55 Σύγχρονες Εξελίξεις Νέες Διαστάσεις Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 55

56 Σύγχρονες Εξελίξεις Χορδές και επιπρόσθετες διαστάσεις Επιπρόσθετη ιάσταση Βαρυτόνιο ιάστατος Χώρος Υπερχορδές Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 56

57 Σύγχρονες Εξελίξεις 1 mm 1 mm Βαρύτητα Δισεκατομμύρια έτη φωτός Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 57

58 Εφαρμογές Εκπαίδευση Τεχνολογία Βασική Έρευνα 1. Μελέτη του Ατόμου Δομή του ατόμου Χημικές Φυσικές ιδιότητες ύλης Μεταπτώσεις Η/Μ ακτινοβολία, φάσματα, lasers Ηλεκτρικό Φορτίο Αγωγοί, ημιαγωγοί, ηλεκτρονική Τηλεπικοινωνίες, Υπολογιστές, Ηλεκτρονικές συσκευές 2. Μελέτη του Πυρήνα Δομή του πυρήνα Ισότοπα, ιατρική διάγνωση, αρχαιομετρία Μετατροπή Ε-Μ Σχάση-σύντηξη πυρήνων, Βαρύτητα αντιδραστήρες, παραγωγή ενέργειας Ακτινοβολία Σωματ. Ιατρική θεραπεία, γεωργία, βιομηχ. Πυρηνικά εργοστάσια, ιατρική διάγνωση και θεραπεία σύντηξη (2025?) Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 58

59 Εφαρμογές 3. Μελέτη των Στοιχειωδών Σωματιδίων Επιταχυντές 99% χρήση σε εφαρμογές : Ιατρική: ραδιοισότοπα, παραγωγή ακτίνων Χ, θεραπεία με δέσμες σωματιδίων Βιομηχανία Υλικών: Ολοκληρωμένα κυκλώματα, εμφύτευση ιόντων, παραγωγή κραμάτων Χημεία/Βιολογία/Στερεό: Ακτινοβολία σύγχροτρον, δέσμες υψηλής έντασης Βιομηχανία Τροφίμων: Διατήρηση τροφίμων, καταπολέμηση Μικροβίων Γεωργία/Ωκεανογραφία: Χρονολόγηση δειγμάτων Βαρύτητα Υπεραγωγιμότητα Βιομηχανία: Μαγνήτες, κοιλότητες RFC, τρένα ψηλής ταχύτητας, διαχωρισμός πετρωμάτων, καθαρισμός άνθρακα, υπεραγώγιμα υλικά σε επιταχυντές /αποθήκευση ενέργειας Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 59

60 Εφαρμογές Ιατρική: Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR), διάγνωση και θεραπεία όγκων, τομογραφία NMR Ανιχνευτές Βιομηχανία: Μετρητές Geiger και φθορισμού, βιομηχανία Χάλυβα και άνθρακα, βιομηχανία τροφίμων, αμυντικά συστήματα Ιατρική: Ανίχνευση ακτινοβολίας, αναλογικοί θάλαμοι ιονισμού, τομογραφία Ηλιακή Ενέργεια: Ανιχνευτές Cerenkov, κάτοπτρα, ηλιακοί συλλέκτες Βιομηχανία/Βιολογία: Τεχνική από θαλάμους φυσαλίδων για Βαρύτητα διάβασμα χαρτών, αναγνώριση κυττάρων, αναγνώριση ελαττωματικών υλικών Ηλεκτρονική Νέα πρότυπα (camac, fastbus), πιο γρήγορα ADC s, TDC s, πιο ακριβείς μετρήσεις Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 60

61 Εφαρμογές Υπολογιστές/Δίκτυα πιο γρήγοροι και φθηνοί υπολογιστές, πιο μεγάλες μνήμες, αποδοτικότερες αρχιτεκτονικές, πιο γρήγορα δίκτυα Νέες Εφαρμογές υπό δοκιμασία χρήση επιταχυντών για παραγωγή ενέργειας και ταυτόχρονη εξουδετέρωση ραδιενεργών αποβλήτων Βαρύτητα 61

62 Συμπεράσματα (α) Τρομακτική πρόοδος κατά τα τελευταία 30 χρόνια (β) Πολλά πολύπλοκα, εξαιρετικής ακρίβειας πειράματα (γ) Διεθνείς Συνεργασίες (δ) Αναζήτηση για νέα φαινόμενα, συμμετρίες, σωματίδια (ε) Τεκμηριωμένη γνώση (χρόνοι τάξης μεγέθους s ) (ζ) Πολύ μεγάλη πρόοδος στη βασική τεχνολογία (η) Πάρα πολλοί τομείς εφαρμογών (επιταχυντές, ανιχνευτές, ηλεκτρονικά, συστήματα ελέγχου, υπολογιστές, ιατρική φυσική, www ) με επίδραση στη ζωή μας 62

63 Συμπεράσματα Ενοποίηση Βασικών Αλληλεπιδράσεων Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 63

64 Συμπεράσματα Αντιθετικές Δοξασίες: Στατικό ή Δυναμικό (Παρμενίδης vs Ηράκλειτος) Συνεχής ή Ασυνεχής Ύλη (Αναξαγόρας vs Δημόκριτος) Ανθρωποκεντρικό ή Μηχανιστικό (δόγμα vs Νεύτων) Steady State ή Big Bang (Einstein vs Hubble) Ιεραρχικό (isothermal) ή Pancakes (adiabatic) Βαρυονικό ή Μη Βαρυονικό HDM ή CDM Κοσμολογικό (global order) ή Πληθωριστικό (local order) Ύλη ή Ακτινοβολία? Π. Ραζής Αρχαιολογία του Σύμπαντος 64