ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος

ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος Γ.Ι. Γούναρης, Α.Π.Θ. Οι φυσικές ιδιότητες του όλου Σύµπαντος, φαίνεται να καθορίζονται από το πρώτο του στάδιο, όταν όλα του τα σηµεία, ήταν κολληµένα το ένα πάνω στο άλλο... και η ενέργεια είχε ασύλληπτη πυκνότητα Οι νόµοι των στοιχειωδών σωµατιδίων και του όλου Σύµπαντος, εµπλέκονται σ ένα σύνολο... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 1

Περίληψη 1. Οι ρίζες της επιστήµης. Η Φυσική στις αρχές του 20 αιώνα. 2. Ο µικρόκοσµος: Η δοµή και οι συµµετρίες των στοιχειωδών σωµατιδίων και των µεταξύ των δυνάµεων τύπου Maxwell. Ελπίδες για το όνειρο της ενοποίησης... Η πίστη στις συµµετρίες... Η συνεχής επανεµφάνιση του 3... Οι µεγάλοι επιταχυντές 3. Τα σωµατίδια αποκτούν µάζα: µηχανισµός Higgs. 4. Νετρίνο και οι ταλαντώσεις τους µια καινούργια αστρονοµία... 5. 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 Σκοτεινή Ύλη και η ανίχνευσή της. Η Σκοτεινή Ενέργεια. Η Υπερσυµµετρία. 7. Το όνειρο της ενοποίησης... Η ανθρωπική αρχή... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 2

Οι ρίζες: Αρχιµήδης 297-212 π.χ. y = ax 2 Α Β Ο Γ E παρ E τριγ ( ΟΑΒΓΟ ) 4 = ( ΟΑΒΟ) 3 Πρώιµος απειροστικός λογισµός! Εµβαδό αριστερά της παραβολής. Το εµβαδό του κύκλου αποτελεί ένα άλλο παράδειγµα που συνδέεται µε τον υπολογισµό του πº3.14... Τα επόµενα βήµατα αρχίζουν µόλις τον ~16ο αιώνα: Valerio, Kepler, Fermat, Νεύτων, Leibniz Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 3

Ερατοσθένης, 276-194 π.χ. Μια ιδιοφυής µέτρηση... σφάλµα <10 % θ o 7, D º5000 στάδια Περ. Γης º250000 στάδια º40000 km κατεύθυνσις ζενίθ στην Αλεξάνδρεια Στην Αλεξάνδρεια τότε υπό γωνία θ. Στις 21 Ιουνίου το µεσηµέρι στην Syene ο ήλιος είναι στο ζενίθ. Περίµετρος Γης D Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 4

Μετά 21 αιώνες... 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-Λάρισα 2006 5

Από τα µεγάλα στα µικρά... 1m 9 10 m Εκατοµµύρια ατόµων σ ένα DNA µόριο Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 6

Τα συστατικά της ύλης Άτοµο και ο πυρήνας του He Αν mp > mn + me δεν θα υπήρχαν άτοµα Υπάρχει κάποιο ελάχιστο όριο σ αυτή την πορεία προς τα µικρότερα; Στην ύλη; Στον χωροχρόνο; Ο ηµόκριτος θα έλεγε: Ναι Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 7

Τα στοιχεία της ύλης: U(1)xSU(2) xsu(3) EW δυνάµεις Ø µεταστοιχειώσεις Οι δυνάµεις: µποζόνια µε σπιν=1, 2, 0 και υλοποίηση της ενέργειας Βαρύτης: κβάντουµ Βαρυτόνιο σπιν=2, m=0 Higgs: κβάντα Higgs σπιν=0, m >114 GeV Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 8

Αδρόνια: δέσµιες καταστάσεις από κουάρκ Τα τρία κουάρκ πρέπει να έχουν διαφορετικό χρώµα, για να γίνει το πρωτόνιο «λευκό»... Παρόµοια και για το νετρόνιο και τα άλλα βαρυόνια... Τα p και n µέσα στους πυρήνες, διατηρούν την ακεραιότητά τους και δεν συνθλίβονται σ ένα σύνολο από κουάρκ! Γιατί; Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 9

Ηισχύς των τριών δυνάµεων Maxwell: U(1) SU(2) SU(3) 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-Λάρισα 2006 10

Τα στοιχειώδη σωµάτια και οι µεταξύ τους δυνάµεις µελετώνται κυρίως µε τους επιταχυντές... Η βαρύτης, µέχρι σήµερα, έµεινε εκτός της φυσικής των στοιχειωδών σωµατιδίων... LHC Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 11

Μηχανισµός Higgs: Η µάζα που χαρακτηρίζει το κάθε σωµάτιο εξαρτάται και από το περιβάλλον του. Το περιβάλλον µπορεί να περιέχει σωµάτια (πραγµατικά ή δυνάµει), ή απλώς πεδία, που συγκεντρώνονται γύρω από οποιοδήποτε δεδοµένο σωµάτιο, µεταβάλλοντας τις ιδιότητες κινήσεως του. Το περιβάλλον µπορεί π.χ. να αυξήσει την αντίσταση στη κίνησή κάποιου σωµατιδίου, και να του δώσει έτσι µάζα. Έτσι, µέσα σε ένα υλικό µε δείκτη διαθλάσεως n, το φωτόνιο θα µπορούσε να πάρει µάζα m γ n 1 Ή µη µηδενική τιµή ενός πεδίου, που παίζει τον ρόλο του περιβάλλοντος, µπορεί να προκληθεί από ένα κατάλληλο δυναµικό Ø πεδίο Higgs Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 12

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... Higgs Imf=0 Imf=0 φκεν m = 0 φ 0 kt 250GeV Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 13 m κεν = 0 kt 250GeV 0 ( 2 ) 2 2 4 V ( φ) φκεν φ φκεν

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... Higgs Στην αρχή της ηµιουργίας, οι ιδιότητες του χώρου ήταν τέτοιες, Imf=0 Imf=0 ώστε όλα τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα W και Z είχαν µηδενική µάζα... Στο SM αναµένουµε 130 < < 250GeV m H φκεν m = 0 φ 0 kt 250GeV Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 14 m κεν = 0 kt 250GeV 0 ( 2 ) 2 2 4 V ( φ) φκεν φ φκεν

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-Λάρισα 2006 15

θ θ Τα 3 νετρίνο καθορισµένης µάζης 12 23 13 θ < 14 0 32.6, 0 45, 0 m m > 0, m m, m m = 2 2 2 2 2 2 12 2 1 13 3 1 23 3 2 13 12 Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 16

Οι ταλαντώσεις των νετρίνο ν j ( xt, ) exp i( p x j Et) ν j Οι εντάσεις των πεδίων νετρίνο καθορισµένης µάζας παραµένουν ανεξάρτητες των (x,t): εν ταλαντώνονται. Τα νετρίνο καθορισµένης χροιάς είναι «µίγµατα» 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. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 17

Πείραµα SK Οι ταλαντώσεις ανάµεσα στις 3 χροιές των νετρίνο, καθορίζονται από τρία µήκη. Για ατµοσφαιρικά νετρίνο E L L ν 13 23 12 1GeV 2π Eν L = 560km 12 23 2π Eν = 15000km Μετρώντας τα µήκη κύµατος, µετράµε τις διαφορές µαζών των νετρίνο. º15χµ Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 18

Αστρονοµία νετρίνο: AMANDA και IceCube 19 σειρές φωτοανιχνευτών στο ν-τηλεσκόπιο AMANDA στον Ανταρκτικό, 1500m κάτω από την επιφάνεια του πάγου. Καλύπτουν έκταση 50000 m2 Οι µετρήσεις διευκολύνονται όταν τα νετρίνο έρχονται µέσα από την Γη... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 19

AMANDA 2000-2002 Βόρειο ηµισφαίριο, εκ. 2004 E ν >10GeV 10 cm s 8 2-1 εν έχουν παρατηρηθεί συνεχείς ροές νετρίνο. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 20

Βαρύτης: Καθορίζει τις τροχιές των πλανητών... Μαζί µε την ατοµική δοµή, καθορίζουν και το µέγεθος των αστέρων Ενώ οι ηλεκτροασθενείς δυνάµεις την λάµψη τους... N c Gm N 2 N 3/2 2 10 57 Ηλάµψη αστέρων µεγέθους σαν τον Ήλιο εξασφαλίζεται µέσω 4 + 4p He 2e 2 + + ν + γ 4 4p 2e He 2 + + ν + γ ΗΘερµότης και το φως στο Σύµπαν παράγονται από πυρηνική σύντηξη! e e Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 21

Η βαρύτης δρα και ως µεγεθυντικός φακός, επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ αποµακρυσµένων γαλαξιών Η σχετικιστική βαρύτης ανήκει σχεδόν αποκλειστικά στην Αστρονοµία... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 22

Είδωλα βαρυτικής οπτικής Ένα αστέρι πίσω από τον Ήλιο Μια εντυπωσιακή επιτυχία της ΓΣ Το βαρυτικό πεδίο ενός γαλαξία στο κέντρο σχηµατίζει τα 4 είδωλα ενός µακρινού quasar που βρίσκεται πίσω του Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 23

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 2 2 2 2 2 2 2 dr = dt c dt 0 Ορίζοντας της µελανής οπής Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 24 r g = 2mGN 2 c

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 τ r g 2 N, G m 3 χρόνος ηµιζωής N 10 1 Ac 1 r 3 2 S =, A rg, T 4 GN g Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 25 c G < m< 6 M

Μια σύντοµη ιστορία του Χρόνου Οι πρώτοι πυρήνες τα e + εξαφανίζονται Τα q δεσµεύονται και p,n σχηµατίζονται τα αντι-q εξαφανίζονται Γέννηση της µάζης q q, L L Κοσµικός πληθωρισµός 10-34 -10-32 sec Μεγάλη ενοποίηση των 3 δυν. ΗΒαρύτης ξεχωρίζει από τις άλλες δυνάµεις και γίνεται κλασσική. Ο χώρος γίνεται τριδιάστατος Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 26

Μια σύντοµη ιστορία του Χρόνου εύτερο µέρος Σήµερα Η διαστολή επιταχύνεται Υπερκαινοφανείς ηµιουργία αστέρων και Γαλαξιών Πρώτοι αστέρες και γαλαξίες. Το Σύµπαν επανιονίζεταιι: zº15 Το Σύµπαν γίνεται διαφανές και... φωτογραφίζεται. Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 27 Οι πρώτοι πυρήνες

Το νεογέννητο Σύµπαν... µέσα στο αρχαιότερο Φως! Μόλις 350000 ετών! Το Σύµπαν περιέχει κυρίως Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια! Ελάχιστη γνωστή ύλη. ΣΕ= µια απωστική συνιστώσα της βαρύτητος, επιτρεποµένη από την Γενική Σχετικότητα... (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-Λάρισα 2006 28

Ησκοτεινή ύλη και ενέργεια Γωνιακή εξάρτηση των διακυµάνσεων των θερµοκρασιακών. (Μαρ. 2006) m ν < 1eV j j T T T + T 1 2 1 2 θ 12 Κατανοµή της ενεργειακής πυκνότητος του Σύµπαντος σήµερα Αδρόνια και λεπτόνια º4%, Ψυχρή σκοτεινή ύλη º22%, Κενός χώρος º74%, Θερµή σκοτεινή ύλη º0%. Το Σύµπαν επιταχύνει την διάλυσή του! Επανιονισµός: zº15 Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 29

Υπερσυµµετρία Τι µπορεί να είναι η ψυχρή Σκοτεινή Ύλη (ΣΥ)... ; Υπερσυµµετρία: εν έχει νόηµα να µιλούµε για κενό χώρο και χρόνο. Ο χώρος, ο χρόνος και η ύλη δηµιουργήθηκαν µαζί. Όλα µαζί αποτελούν συνιστώσες της αυτής οντότητας: 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-Λάρισα 2006 30

Μια εικόνα των µαζών των προβλεποµένων από την Υπερσυµµετρία νέων σωµατιδίων. χ 1 0 Το θα µπορούσε να αποτελεί την κυρία συνιστώσα της ψυχρής Σκοτεινής Ύλης. 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-Λάρισα 2006 31

HEAT (High Energy Antimatter Telescope): Αγνώστου αιτιολογίας ακτινοβολία e + από το κέντρο του Γαλαξία µας Από αερόστατο µεγάλου ύψους χ χ E 0 0 + 1 1..., 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-Λάρισα 2006 32

AGN EGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ιάστηµα Pulsar SNR Radio Galaxy 100 MeV < E < 30 GeV Σϒ E > 10GeV 50 < m < 175GeV 0 1 χ γ γ GRB

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

Το όνειρο της ενοποίησης Το όνειρο της ενοποίησης Ονειρευτήκαµετην ενοποίηση όλων των δυνάµεων... Και θελήσαµε, επί τη βάσει Φυσικών αρχών, να µπορούσαµε να υπολογίζουµε όλες τις παραµέτρους: Όλες τις µάζες των στοιχειωδών σωµατιδίων και όλες τις εντάσεις των δυνάµεων. Ονειρευτήκαµε πως ο σκοπός της επιστήµης ήταν να αποδείξει πως το Σύµπαν µας ήταν το µόνο δυνατόν. Και βρήκαµε πληθώρα παραµέτρων για τις τιµές των οποίων δεν µπορούµε να εντοπίσουµε καθορίζουσα Φυσική Αρχή, όπως παραδοσιακά θα την εννοούσαµε... Όµως ξερουµεσίγουρα πως αν οι παράµετρες αυτές (δυνάµεις, σωµατίδια, αριθµός και µορφή των γεωµετρικών διαστάσεων) δεν ήταν αυτές που είναι, το Σύµπαν µας θα πέθαινε από την πρώτη του στιγµή... αλλά παρ ελπίδα επέζησε ήδη ~14 δισ έτη! Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 35

Η ανθρωπική αρχή: Το Σύµπαν έγινε για να βαστάξει ζωή Η ανθρωπική αρχή: Το Σύµπαν έγινε για να βαστάξει ζωή m > m + m Αν το ħ=0, ή οι µάζες, δεν θα υπήρχαν άτοµα... p n e Η ενέργεια του κενού 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 θα νεκρωνόταν... Το Σύµπαν υπάρχει, γιατί Κάποιος καθόρισε και διατηρεί µε φανταστική ακρίβεια τις τιµές των παραµέτρων του... Αλλά και η ανεξήγητη επανάληψη του 3, στις γεωµετρικές διαστάσεις, στις φυσικές διαστάσεις, στις οικογένειες των στοιχειωδών σωµατιδίων, στη µαθηµατική δοµή των τριών δυνάµεων τύπου Maxwell, κάτι φαίνεται να θέλει να µας πει... Όλα αυτά είναι ενδείξεις ότι κάτι µας λείπε... εν είναι βέβαια επιστήµη, όπως συνήθως την ορίζουµε... Ίσως είναι κάτι πολύ ανώτερο από την επιστήµη... Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λάρισα 2006 36