ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος

Transcript

1 ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος Γ.Ι. Γούναρης, Α.Π.Θ. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

2 Περίληψη 1. ΗΦυσική στις αρχές του 20 αιώνα. 2. Ο µικρόκοσµος: Η δοµή και οι συµµετρίες των στοιχειωδών σωµατιδίων και των µεταξύ των δυνάµεων τύπου Maxwell. Το όνειρο της ενοποίησης... Η πίστη στις συµµετρίες... Η συνεχής επανεµφάνιση του 3... Οι µεγάλοι επιταχυντές 3. H µάζα των σωµατίων: Ο µηχανισµός Higgs. Το βαθµωτό πεδίο κατακλύζει το σηµερινό Σύµπαν. Τα σωµάτια Higgs. 4. Νετρίνο και οι ταλαντώσεις τους Μια καινούργια αστρονοµία Βαρύτης: η πιο άγνωστη δύναµη... Συγκρατεί τους γαλαξίες και δρα και σαν φακός Μαζί µε τις δυνάµεις Maxwell, καθορίζει τον µακρόκοσµο: τ άστρα, τις µελανές οπές, τον χωροχρόνο, 6. Η βασική σύσταση του Σύµπαντος. Η Σκοτεινή Ύλη. Η Σκοτεινή Ενέργεια. Κι άλλα βαθµωτά πεδία Η Υπερσυµµετρία. 8. Επίλογος Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

3 Αρχές του 20ου αιώνα Είχαν κατανοηθεί οι περιοδικές τροχιές των ουρανίων σωµάτων και είχαν υπερεκτιµηθεί οι δυνατότητες της Κλασσικής Φυσικής (ΚλΦ) Επικρατούσε ένα πνεύµα ευφορίας... Ο Ήλιος ήταν κοντά στο κέντρο του Γαλαξία µας. Θα έπρεπε να καίει κάτι σαν κάρβουνο... Η ύπαρξη άλλων γαλαξιών ήταν άγνωστη. Ήταν µετά τα µέσα του 20ου αιώνα, όταν διαπιστώθηκε ότι στα πλαίσια της ΚλΦ δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε χηµεία, ούτε ζωή, ούτε αστέρια... Ότι οι δοµές των σωµάτων, δεν κατανοούνται χωρίς την Αρχή της Απροσδιοριστίας και την Κβαντική Μηχανική. Και το Σύµπαν που το νοµίζαµε αιώνιο, βρέθηκε να αυτοδιαλύεται επιταχυνόµενα... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

4 Από τα µεγάλα στα µικρά... 1m 9 10 m Εκατοµµύρια ατόµων σ ένα DNA µόριο Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

5 Τα συστατικά της ύλης Άτοµο και ο πυρήνας του He Αν m p >m n +m e ή αν ħ=0, δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε ζωή. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

6 U(1)xSU(2) xsu(3): τα βασικά στοιχεία της ύλης κατά τριάδες n p e ν e Οι δυνάµεις: µποζόνια µε σπιν=1, 2, 0 Βαρύτης: κβάντουµ βαρυτόνιο σπιν=2, m=0 Higgs: κβάντα Higgs σπιν=0 Ύλη και δυνάµεις συµπεριφέρονται σαν σωµατίδια, m >114 GeV Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

7 έσµιες καταστάσεις: τα πρωτόνια και νετρόνια αποτελούνται από 3 κουάρκ. Τα µεσόνια qq (Όταν τα κοιτάµε µε µικρή διακριτική ικανότητα) Όταν κοιτάµε τα q µε υψηλή διακριτική ικανότητα, τότε κάθε q έχει µέσα του, εκτός από τον εαυτό του, και µια απειρία από qqg,, Τα p και n µέσα στους πυρήνες, διατηρούν την αυθυπαρξία τους και δεν συνθλίβονται σ ένα σύνολο από κουάρκ! Γιατί; Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

8 U(1)xSU(2) xsu(3): : Η ισχύς των τριών δυνάµεων Maxwell Υπερσυµµετρία: Ίσως κάποτε οι 3 να αποτελούσαν µία δύναµη... αν η υπερσυµµετρία υπάρχει πραγµατικά. Το όνειρο της ενοποίησης... Η βαρύτης είναι εντελώς διαφορετική από τις άλλες δυνάµεις. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

9 Τα στοιχειώδη σωµάτια και οι µεταξύ τους δυνάµεις µελετώνται κυρίως µε τους επιταχυντές... Η βαρύτης, συνήθως αµελητέα στην φυσική των στοιχειωδών σωµατιδίων... LHC Περίµετρος: Γ.Ι. Γούναρης 27 χιλµ ΕΕΦ-Λαµία

10 Μηχανισµός Higgs: Η µάζα που χαρακτηρίζει το κάθε σωµάτιο εξαρτάται και από το περιβάλλον του. Το «κενό» µέσα στο οποίο ζει Το περιβάλλον µπορεί να περιέχει σωµάτια (πραγµατικά ή δυνάµει), ή απλώς πεδία, που συγκεντρώνονται γύρω από οποιοδήποτε δεδοµένο σωµάτιο, µεταβάλλοντας τις ιδιότητες κινήσεως του. Έτσι µπορεί να αυξήσει την αντίσταση στη κίνησή κάποιου σωµατιδίου, και να του δώσει µάζα. Μέσα σε ένα υλικό π.χ. µε δείκτη διαθλάσεως n, το φωτόνιο θα µπορούσε να πάρει µάζα m γ n 1 Το πεδίο Higgs µοιάζει µε ρευστό. Η µη µηδενική τιµή του δίδει στα σωµατίδια µάζα. Και όπως κάθε πεδίο δίδει στο «κενό» πυκνότητα ενεργείας και πίεση. Η Κβ. Μηχ. προσθέτει σ αυτά «άπειρες» συνεισφορές (κάτι µας λείπει) Τα πεδία µοιάζουν µε ρευστά Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

11 Το µη-µηδενικό πεδίο Higgs στο «κενό», είναι το περιβάλλον που δηµιουργεί τις µάζες των σωµατιδίων. Τα γ, g, G,... παραµένουν όµως χωρίς µάζα. εν ήταν έτσι στη Αρχή... V ( φ) Higgs Reφ Στην αρχή της ηµιουργίας, οι ιδιότητες του χώρου ήταν τέτοιες, ώστε όλα τα Imφ κουάρκ και τα ImImf=0 φ = 0 λεπτόνια και τα W και Z είχαν µηδενική µάζα... Στο SM αναµένουµε 130 < < 250GeV m H Reφ φκεν m = 0 φ 0 kt 250GeV Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία m κεν = 0 kt 250GeV 0 ( 2 ) V ( φ) φκεν φ φκεν

12 Το σηµερινό βαθµωτό πεδίο Higgs κατακλύζει το αισθητό Σύµπαν. Η τιµή του στον κενό χώρο καθορίζει το σηµερινό «περιβάλλον» και τις σηµερινές µάζες των σωµατιδίων. Μπορεί να υπάρχουν περισσότερα τέτοια πεδία Higgs. Κανείς δεν ξέρει Το φαινόµενο του πληθωρισµού στην αρχή, και της επιταχυνοµένης διαστολής σήµερα, (αλληλένδετης µε την Σκοτεινή Ενέργεια), ίσως οφείλονται επίσης σε βαθµωτά πεδία. Θα επανέλθω σ αυτό Τέτοια βαθµωτά πεδία πρέπει να υπάρχουν. εν µπορέσαµε να φαντασθούµε τίποτε άλλο. Αναπόφευκτη συνέπεια της Κβαντικής Μηχανικής είναι ότι οι κυµατικές ταλαντώσεις των πεδίων στον χώρο και χρόνο θα εµφανίζονται σαν σωµατίδια. Σαν τα σωµατίδια Higgs π.χ.. εν έχουµε δει κανένα ως τώρα Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

13 M. Spira et al. Πιθανοί τρόποι παραγωγής του SM σωµατιδίου Higgs στο LHC NLO Cross sections gg σύντηξη WW, ZZ σύντηξη Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

14 Ποσοστά δυνατών διασπάσεων του SM Higgs Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

15 Οι 3 νετρίνο καθορισµένης χροιάς ν e νµ ντ,, e µ τ Νετρίνο: Σχετικιστικά, κβαντικά και ουδέτερα. Οι συνήθεις αστέρες είναι σχεδόν διαφανείς στο πέρασµά τους. Η µεγάλη τους εµβέλεια και η µη-εκτροπή τους κατά την διαδροµή, παρέχουν πληροφορίες για την Γη, τον Ήλιο, τους γαλαξίες, το Σύµπαν ολόκληρο Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

16 θ θ Τα 3 νετρίνο καθορισµένης µάζης θ < , 0 45, 0 m m > 0, m m, m m = Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

17 Νετρίνο: ταλαντώσεις και πηγές Οι εντάσεις των πεδίων νετρίνο καθορισµένης µάζας παραµένουν ανεξάρτητες των (x,t): εν ταλαντώνονται. Τα νετρίνο καθορισµένης χροιάς είναι «µείγµατα» νετρίνο καθορισµένης µάζης. Η ένταση ενός πεδίου νετρίνο που γεννήθηκε µε καθορισµένη χροιά και ταξιδεύει, ταλαντώνεται ανάµεσα στις 3 δυνατές χροιές του. Τα νετρίνο παράγονται και ανιχνεύονται κατά την χροιά τους, αλλά ταξιδεύουν κατά τη µάζα τους. ν j ( xt, ) exp i( p x j Et) Επίγειες και αστρικές πηγές νετρίνο ν j Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

18 ν-τηλεσκόπιο NESTOR NESTOR Η καταβύθιση ενός αστερία Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

19 Τα κοσµολογικά όρια των µαζών των νετρίνο είναι συνήθως ισχυρότερα των εκ των επιγείων πειραµάτων! Και τα κοσµολογικά όρια για τον δυνατόν αριθµό των νετρίνο Ν eff είναι επίσης εντυπωσιακά! Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

20 Η βαρύτης καθορίζει τις τροχιές. ρα και ως φακός, επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ αποµακρυσµένων γαλαξιών Ιδεωδώς δηµιουργείται πλήρης δακτύλιος Einstein Συνήθως τα είδωλα είναι πολλαπλά και παραµορφωµένα α για 4G m c ξ N 2 ξ 2G m N c 2 = ξ= παράµετρος κρούσης της φωτο-τροχιάς από τον «φακό». r g Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

21 Είδωλα βαρυτικής οπτικής Ένα αστέρι πίσω απ τον Ήλιο Το βαρυτικό πεδίο ενός σµήνους γαλαξιών στο κέντρο δρα σαν «βαρυτικός φακός» σχηµατίζοντας εντόνως παραµορφωµένα είδωλα µακρινών γαλαξιών που βρίσκονται πίσω του. Μια εντυπωσιακή επιτυχία της ΓΣ Η µορφή των ειδώλων επιτρέπει τον υπολογισµό της µάζας του «βαρυτικού φακού» και την κατανοµή της. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

22 1Ε Bullet cluster µε οπτικό τηλεσκόπιο σε απόσταση D=3.5 x 10 9 έτη φωτός. Χιλιάδες γαλαξίες και βαρυτικά είδωλα πιο µακρινών γαλαξιών (Αυγ. 2006) Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία Ένας γαλαξίας σαν τον δικό µας

23 1Ε Bullet cluster: Τα κέντρα µάζης της συνήθους και σκοτεινής ύλης δεν συµπίπτουν Οπτικό: Χιλιάδες γαλαξίες Ατιν. Χ: Θερµά αέρια T~10 8 K Σκωτ. Ύλη : βαρυτικά είδωλα Ένας γαλαξίας σαν τον δικό µας Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

24 1Ε , Bullet cluster Απόσταση: 3.5x10 9 έτη φωτός. Συνολικό παρατηρούµενο µέγεθος ~3x 10 6 έτη φωτός Η σύγκρουση έγινε 150 x 10 6 χρόνια προηγουµένως εξιά θερµή αέρια µάζα (κόκκινο) : 70 x 10 6 Κ Αριστερή θερµή αέρια µάζα (κόκκινο): 100 x 10 6 Κ Ηταχύτηςµε την οποίαν συγκρούονται τα δύο σµήνη υπολογίζεται σε 4500 km/s. Για πρώτη φορά παρατηρήθηκε περιοχή του Σύµπαντος όπου η Σκοτεινή ύλη είναι χωρισµένη από την Συνήθη. Τα κέντρα µάζης της συνήθους και σκοτεινής ύλης δεν συµπίπτουν στην περίπτωση αυτή. Είναι συνεπώς αδύνατον να κατανοήσουµε την βαρυτική της ευστάθεια, αλλάζοντας απλώς την Νευτώνεια δυναµική σε µεγάλες αποστάσεις. Η ύπαρξη ΣΥ είναι αναπόφευκτη. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

25 Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

26 Μελανές οπές: τυλιγµένες µέσα στους ορίζοντές τους αποτελούν αναπόφευκτο επακόλουθο της Γενικής Σχετικότητος. Οι µελανές οπές στο Σύµπαν... υπεύθυνες για πολλά βαρυτικά είδωλα κώνος φωτός ct y x ds = c dt dr dr = dt c dt 0 Ορίζοντας της µελανής οπής Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία r g = 2mGN 2 c

27 Κλασσικές µελανές οπές: καταβροχθίζουν οτιδήποτε πέφτει επάνω στην επιφάνειά τους. εν έχουν σύσταση. Έχουν όµως µάζα, ηλεκτρικό φορτίο, στροφορµή, θερµοκρασία T, εντροπία S Το ισχυρό πεδίο βαρύτητος γύρω από την µελανή οπή µπορεί να προκαλέσει κρίσιµες πυκνότητες αερίων, από τις οποίες να ξεκινήσουν καινούργιοι αστέρες Οι κβαντικοί νόµοι τις επιτρέπουν να ακτινοβολούν αχνά Αν είναι πολύ µικρές, ενδεχοµένως και να εξατµίζονται και να αποδίδουν την πληροφορία που κατεβρόχθισαν. λ r g µήκος κύµατος ακτινοβολίας. τ G m 2 3 N χρόνος ηµιζωής N 10 1 Ac 1 r 3 2 S =, A rg, T 4 GN g Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία c G < m< 6 M

28 WMAP: Το νεογέννητο Σύµπαν... µέσα στο αρχαιότερο Φως! Μόλις ετών! Σύµπαν περιέχει κυρίως Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια! Ελάχιστη γνωστή ύλη. (NASA 16 Μαρ. 2006) Οι συχνότητες του φωτός αυτού έχουν κατανοµή µέλανος σώµατος. Η ένταση του καθορίζεται από την θερµοκρασία του... Λευκές γραµµές παριστούν πόλωση. Η θερµοκρασία ελαττώνεται κατά την φορά: κόκκινο, κίτρινο, πράσινο, µπλε, µαύρο Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

29 Ησκοτεινή ύλη και ενέργεια Γωνιακή εξάρτηση των διακυµάνσεων των θερµοκρασιακών. (Μαρ. 2006) m ν < 1eV j j Συνδυάζοντας µε την µελέτη υπερκαινοφανών Ia : Γνωστή Ύλη º4%, Ψυχρή σκοτεινή ύλη º20%, Σκοτεινή Ενέργεια º76%, Θερµή σκοτεινή ύλη (ν) º0%. Βαθµωτά πεδία κατακλύζουν το Σύµπαν επιταχύνοντας την διάλυσή του ;; T T T + T θ 12 Επανιονισµός: zº15 Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

30 Τι είναι η Σκοτεινή Ενέργεια (ΣΕ) ή Ενέργεια του Κενού; Εκτεταµένα πραγµατικά βαθµωτά πεδία j, εξαρτώµενα µόνον από τον χρόνο, 2 ϕ δηµιουργούν πυκνότητα ενεργείας ε = + V( ϕ) = T + V 2 και πίεση 2 ϕ p = V( ϕ) = T V 2 Οι WMAP παρατηρήσεις προτείνουν VàT º0. Η κινητική ενέργεια είναι δηλαδή αµελητέα και η πίεση εντόνως αρνητική. Και, σύµφωνα µε την Γενική Σχετικότητα, η διαστολή είναι τότε επιταχυνόµενη και η βαρύτης µοιάζει να αποκτά µια απωστική συνιστώσα.. Υπάρχουν τέτοια πεδία; Αν ΝΑΙ, θα µπορούσαν να περιγράψουν τον πληθωρισµό στην αρχή της ηµιουργίας και την επιταχυνόµενη αυτοδιάλυση του σήµερα. Την ΣΕ την έχουµε δει. Όµως κβαντικές διεγέρσεις των ανωτέρω πεδίων υπό την µορφή στοιχειωδών σωµατιδίων, δεν έχουµε δει! Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

31 Ψυχρή Σκοτεινή Ύλη Η ψυχρή Σκοτεινή ύλη δεν κινείται έντονα. Συγκρατείται από την βαρύτητα και ενισχύει τις συµπυκνώσεις της συνήθους ύλης και την γέννηση γαλαξιών. (Murayama) Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

32 Αν είχαµε σηµαντική συνεισφορά από θερµή ΣΥ (νετρίνα) που δεν συγκρατούνται από την βαρύτητα, τότε οι συµπυκνώσεις θα εξαλείφοντο και γαλαξίες δεν θα µπορούσαν να γεννηθούν. Ηθερµή ΣΥ πρέπει να είναι ελάχιστη. (Murayama) Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

33 Η Υπερσυµµετρία διαθέτει ψυχρή Σκοτεινή Ύλη Υπερσυµµετρία: Ο χώρος, ο χρόνος και η ύλη δηµιουργήθηκαν µαζί. Και όλα µαζί αποτελούν συνιστώσες της αυτής οντότητος. Η Υπερσυµµετρία είναι µια γενίκευση των συµµετριών του χωροχρόνου. Εξασφαλίζει την ενοποίηση των τριών δυνάµεων µεταξύ τους, και ίσως και µε τη βαρύτητα. 43 Ίσχυσε τα πρώτα 10 sec, όταν όλες οι δυνάµεις ήταν µία... Απαλύνει τις δυνάµεις στις µικρές αποστάσεις. Παρέχει υποψηφίους για την ψυχρή ΣΎ: νιουτραλίνο, αξιόνια, αξίνο, βαρυτόνια... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

34 Μια εικόνα των µαζών των προβλεποµένων από την Υπερσυµµετρία νέων σωµατιδίων. χ 1 Το νιουτραλίνο θα µπορούσε να αποτελεί την κυρία συνιστώσα της ψυχρής Σκοτεινής Ύλης. 0 Για τέτοιες µάζες, το LHC αναµένεται να παράγει πάρα πολλά γλουίνο και σκουαρκς. Μέσα στον πρώτο χρόνο θα ξέρουµε... Τότε ίσως καταφέρουµε να µελετήσουµε την ΣΥ σε γήινα πειράµατα pp 0 χ χ 0..., ( i, j) = 1,2,3,4 i j Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

35 HEAT (High Energy Antimatter Telescope): Αγνώστου αιτιολογίας ακτινοβολία e + από το κέντρο του Γαλαξία µας Από αερόστατο µεγάλου ύψους χ χ E , e + m χ 0 1 e 8GeV 108GeV Ασφαλέστερο αν ξέραµε τα νιουτραλίνο από επίγεια πειράµατα, και τα χρησιµοποιούσαµε για την κατανόηση της καταστάσεως κοντά στο γαλακτικό κέντρο... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία

36 AGN EGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ιάστηµα Η πλεονάζουσα ακτινοβολία γ από το κέντρο του Γαλαξία, µε Ε γ >10 GeV, ίσως προέρχεται από ΣΥ. Pulsar SNR Radio Galaxy GRB 100 MeV <E γ < 30 GeV ΠλεόνασµαγιαE γ >10 GeV 50 < m 175GeV 0 1 < χ

37 Επίλογος Για να κατανοήσουµε την σκοτεινή ενέργεια, τον αναπόφευκτο πληθωρισµό, την ύπαρξη µάζης, πρέπει το Σύµπαν να κατακλύζεται από βαθµωτά πεδία. Αλλά αντίστοιχα σωµάτια δεν έχουµε δει... Η ΣΕ δρα σαν «απωστική βαρύτητα» και επιταχύνει την διαστολή του Σύµπαντος. Βρίσκεται ακριβώς στα όρια. Αν ήταν µεγαλύτερη, δεν θα υπήρχαν αστέρια... Και αν οι εντάσεις των τεσσάρων δυνάµεων ξέφευγαν από τις τιµές τους, το Σύµπαν επίσης θα νεκρωνόταν... Το Σύµπαν είναι γεµάτο συµπτώσεις που του εξασφαλίζουν την Ζωή. Υπάρχει µια ανεξήγητη επανάληψη του 3, στις γεωµετρικές διαστάσεις, στις φυσικές διαστάσεις, στις οικογένειες των στοιχειωδών σωµατιδίων, στη µαθηµατική δοµή των τριών δυνάµεων τύπου Maxwell... Όλα αυτά κάτι θέλουν να µας πουν Ίσως πολύ πιο όµορφο από την επιστήµη. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία