Maailmankaikkeuden synty ja aineen perusrakenne

Transkriptio

1 Maailmankaikkeuden synty ja aineen perusrakenne Johdatus maailmankaikkeuden syntyteoriaan, aineen rakenteen tutkimisen historiaan ja standardimalliin Johdatus tutkimuksiin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Jarmo Kamula

2 Mitä on aine? Empedokles ( ekr.): maa, ilma, tuli, vesi. Demokritos (n ekr.): atomos, jakamaton on pienin rakenneosanen.atomien välissä on tyhjyys. Platon ( ekr.): Atomit ovat kuutio (maa), ikosaedri (vesi), oktaedri (ilma), tetraedri (tuli). dodekaedria vastaa kvintessenssi ("perikuva", "olennainen osa"), josta koostuu avaruus Aristoteles ( ekr.): Viides elementti on maailmaneetteri (Kuunylinen maailma). Hylkäsi Demokritoksen atomiteorian, kritisoi tyhjiötä. Luonnontieteissä kokeellisuutta hyljeksittiin aristoteelisen ajattelun vuoksi 2000 vuotta. Galilei tieteen isä. Tieteellinen vallankumous kokeellisuuden lisääntyessä

3 Alkuräjähdysteorian mukainen maailmankaikkeus pikakelauksella Video:

4 Kuva:NASA

5 Maailmankaikkeuden historiaa Singulariteetti: äärimmäinen lämpötila, äärimmäisen pieni tila. Ei aikaa eikä paikkaa. Big Bang 13,82 mrd. a sitten. inflaatio kvarkkigluonipuuro yhden sekunnin iässä ytimet vuoden iässä ensimmäiset atomit. puolen miljardin vuoden iässä ensimmäiset tähdet. Nykyisin keskimääräinen lämpötila noin 3 K (noin -270 C)

6 Taustasäteilykartta vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta Lämpö ja aine eivät ole jakautuneet tasaisesti universumissa. ESA/Planck 2013

7 Mitä universumissa on? ainetta (materiaa) vain noin 4,9 % (Planck 2013) pimeä aine? (mustat aukot, neutriinot, Weakly Interacting Massive Particle, WIMP?) pimeä energia? Mistä tiedetään, että niitä on olemassa?

8 Varhaisia atomitutkijoita J. Dalton 1804: alkuaineet koostuvat jakamattomista atomeista J. Thompson 1897: löysi elektronin. (elektron (kreikkaa) =meripihka). Esitti 1904 ensimmäisen atomimallin, ns. rusinakakkumallin. E. Rutherford 1909: löysi ytimen. Sen oli oltava pieni ja positiivinen. Negatiiviset elektronit kiertävät ydintä.

9 Niels Bohrin atomimalli 1913 Elektroni kiertää ydintä ympyräradalla Malli ei selittänyt mm. spektrien hienorakennetta Johti osaltaan kvanttimekaaniseen atomimalliin

10 Fysiikan kaksijako: 1. klassinen fysiikka pohjautuu mm. Newtonin painovoimalakiin selittää arkielämän fysikaaliset ilmiöt (v<10 % c) voidaan esim. laskea planeettojen radat kohtalaisen tarkasti ja 1900-lukujen vaihteessa luultiin, että kaikki fysiikka oli jo keksitty, jäljellä oli vain tarkennuksia lakeihin. löytyi kuitenkin ilmiöitä, joita ei voitukaan selittää Newtonin laein: mm. Merkuriuksen radan perihelin kiertyminen; mikromaailman kuvaaminen; sähkömagneettiset voimat.

11 Fysiikan kaksijako: 2. moderni fysiikka Erikoinen suhteellisuusteoria paljasti, että aika, matka ja massa eivät ole vakioita, vaan suhteessa hiukkasen nopeuteen. Yleinen suhteellisuusteoria on Newtonin painovoimalakia tarkempi laki, joka selittää painovoiman aika-avaruuden kaareutumisella. (voidaan esim. laskea planeettojen radat tarkemmin) Kvanttifysiikka viittaa suureiden epäjatkuvuuteen (kyetään mm. mallintamaan atomitason ja sitä pienempien mittaluokkien fysiikkaa. Esim. elektronien sallitut tilat kvantittuneita) Erwin Schrödinger 1926: kvanttimekaaninen atomimalli. Hiukkasta kuvataan aaltofunktiolla. Hiukkanen on hiukkasfyysikolle häiriö kentässä, aalto.

12 Paikka ja nopeus Klassinen fysiikka Hiukkasen paikka, nopeus määriteltävissä aallon paikka epämääräinen Kvanttifysiikka paikkaa ja nopeutta ei edes teoriassa voida määrittää mielivaltaisen tarkasti (Werner Heisenberg 1927: epätarkkuusperiaate)

13 Miten aine rakentuu? Klassinen fysiikka vuorovaikutukset vaikuttavat kenttien välityksellä. Moderni fysiikka vuorovaikutukset vaikuttavat välittäjähiukkasien avulla.

14 Perusvuorovaikutukset Kaikki luonnon ilmiöt ja rakenteet voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla Vuorovaikutus Välittäjähiukkanen Kantama muuta Gravitaatio Gravitoni Ääretön Ei vielä kokeellisesti havaittu Sähkömagneettinen Fotoni Ääretön valohiukkanen Vahva Gluoni Glue = liima. Heikko Välibosonit

15 Maailmankaikkeuden mittasuhteet

16 Makro- ja mikrokosmos Hallitseva vuorovaikutus gravitaatio Sähkömagneettinen, vahva, heikko vuorovaikutus hallitsevat Kappale Planeetta aurinkokunta Galaksi Galaksijoukko Superjoukko Universumi

17 Atomi ydin (positiivinen), jota kiertävät elekronit (negatiivisia). Klassinen malli: elektronit radoilla. Moderni malli: elektronit orbitaaleilla, pilvi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus Schrödingerin aaltoyhtälön avulla lasketaan esim. orbitaalit

18 Ydin eli nuklidi ja kvarkit (nuclid, quarks) protoneja ja sähköisesti neutraaleja neutroneja (molemmat nukleoneja). vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama ns. ydinvoima (jäännösvoima) kvarkit sitoo toisiinsa vahvan vuorovaikutuksen ns. vahva voima (värivoima) Protonien lukumäärä ytimessä määrää alkuaineen (element). Neutronien lukumäärä määrää isotoopin (isotope).

19 Standardimallin alkeishiukkaset, fundamental particles Mittabosonit Perushiukkaset Alkeishiukkaset Kvarkit (fermioneja) leptonit (fermioneja) Hadronit Baryonit (fermioneja) Mesonit (bosoneja) Kaikki hiukkaset jaetaan fermioneihin (spin puoliluku) ja bosoneihin (spin kokoluku) PERUSHIUKKASET basic particles - 3 perhettä, joissa kussakin on 4 jäsentä. Kvarkkeja quarks (6 kpl) Leptoneita leptons (6 kpl) HADRONIT hadrons (Ovat oikeastaan kvarkkien ryppäitä) baryonit baryons (3 kvarkkia), esim. protoni proton ja mesoneihin mesons (kvarkki + antikvarkki) esim. pioni Elinikä yleensä lyhyt. MITTABOSONIT - välittäjät

20 Standardimallin perushiukkaset ja mittabosonit kvarkit ovat u, d, s, c, t, b leptonit ovat elektroni, myoni ja tau sekä näiden neutriinot 3 kpl aine (materia) koostuu vain u- ja d- kvarkeista sekä elektroneista mittabosonit toimivat vuorovaikutuksen välittäjähiukkasina higgsin bosoni antaa massan tietyille hiukkasille, tietyille ei ry_particles.svg/2000px-standard_model_of_elementary_particles.svg.png

21 Antiaine jokaisella 12 perushiukkasella antihiukkanen Sama massa, vastakkainen varaus. Antihiukkasten muodostama aine on antiainetta. ainehiukkasen ja sen antihiukkasen törmäyksessä massa muuttuu energiaksi (annihilaatio) by Jens Maus

22 Milloin löydetty? elektroni 1897, ydin 1909, protoni 1919, neutroni 1932, positroni 1933, antiprotoni 1955, up, down, strange 1960-luvulla, charm 1974, bottom/beauty 1977, top/truth 1995, antivety 1995 tau-neutriino 2000, higgsin bosoni 2012

23 Maailmankaikkeuden ja aineen tutkiminen: Kiihdyttimet tietoa saadaan mm. pommittamalla hiukkasia muilla ja tutkimalla törmäystuloksia Hiukkaset saadaan törmäämään kiihdyttämällä niitä lineaari- ja kehäkiihdyttimissä. Kehäkiihdyttimet voivat olla syklotroneja tai synkrotroneja. kiihdyttimissä hiukkaset saavat energiaa vaihtojännitteestä ja niitä ohjataan magneettikentillä törmäystuotteet osuvat esim. tuikeilmaisimeen, jossa törmäys havaitaan energiapulssina; kaasutäytteiseen sumukammioon; puolijohdeilmaisimeen rajat tulossa vastaan, sillä yhä syvemmälle aineen rakenteeseen pääsemiseksi tarvittaisiin yhä suurienergisempiä törmäyksiä

24 Maailmankaikkeuden ja aineen tutkiminen: Kosmologiset havainnot tulevaisuudessa yhä tärkeämmässä roolissa Vaativat uutta fysiikkaa! Standardimalli on vain osa suurempaa kokonaisuutta. pimeä aine on ainetta, mutta mistä se koostuu, ei kokonaan tiedetä Pimeä energia on painovoiman vastavoima, jonka v todistettiin kiihdyttävän maailmankaikkeuden laajenemista. Sen olemuksesta ei tiedetä sen enempää. Inflaatio? Maailmankaikkeuden alkuhetkillä universumi laajeni sekunnin murtoosassa jopa kertaiseksi.

25 CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) tutkii maailmankaikkeuden perusrakennetta maailman suurin ja monipuolisin tutkimusteknologia aineen perusolemuksen ja sen koossa pitävien voimien tutkimukseen Organisaation jäsenvaltioina on 22 maata. Suomi liittyi mm. World Wide Web ja hiukkastörmäytin on kehitetty CERNissä

26 CERNin kiihdyttimet, hiukkasten reitit ja koeasemat/ilmaisimet By Forthommel - CC BY-SA 3.0,

27 LHC (Large Hadron Collider) maailman suurin hiukkaskiihdytin, pituus 27 km tutkitaan erilaisten hiukkassuihkujen törmäyksiä ja niissä syntyviä ilmiöitä ja uusia partikkeleita tutkitaan alkuräjähdystä ja hetkeä juuri räjähdyksen jälkeen virtuaalikierros

28 Mitä LHC:llä tutkitaan? massan alkuperä? Higgsin mekanismi Gravitaation heikkous? Standardimalli ei tarjoa yhdistettyä kuvausta kaikista perusvuorovaikutuksista. Supersymmetriateorian kautta ehkä kaikki voimat voitaisiin yhdistää. Pimeä aine? Supersymmetrisiä hiukkasiako? LHC:llä voisi löytää kevyimpiä supersymmetrisiä hiukkasia Miksi materia voitti antimaterian alkuräjähdyksen jälkeen?

29 LHC:n energia Käsien taputuksessa energia on suurempi kuin kahden protonin törmäyksessä! Kuvittelepa laittavasi toiseen käteesi neula ja törmäytä sitten Energiatiheys on valtavan paljon isompi hiukkassuihkujen törmäyksessä kuin käsien taputuksessa! 1 TeV on energia, joka on esim. Lentävällä hyttysellä. LHC:ssä maksiminopeus hiukkasilla valon nopeudesta. (7 TeV) Maksimienergia siis tuolloin kahden hiukkasen törmäyksessä 14 TeV. Kahden lyijyionin törmäyksessä energiamaksimi 1150 TeV. Törmäyssuihkun halkaisija on noin 16 mikrometriä (hius noin 50 mikrometriä). Törmäyssuihkujen maksimienergia kuin kaksi 400 t junaa 150 km/h nopeudessa.

30 Tunnuslukuja LHC:stä Circumference m Dipole operating temperature 1.9 K (-271.3ºC) Number of magnets 9593 Number of main dipoles 1232 Number of main quadrupoles 392 Number of RF cavities 8 per beam Nominal energy, protons 7 TeV Nominal energy, ions 2.76 TeV/u (*) Peak magnetic dipole field 8.33 T Min. distance between bunches ~7 m Design luminosity 1034 cm 2 s 1 No. of bunches per proton beam 2808 No. of protons per bunch (at start) 1.1 x 1011 Number of turns per second Number of collisions per second 600 million (*) Energy per nucleon

31 ESIMERKKEJÄ CERNIN TUTKIMUKSISTA osa LHC-tutkimuksia, osa antiprotonitutkimuksia

32 ALICE (A Large Ion Collider Experiment) LHC:ssä törmäyslämpötila voi kohota kertaa Auringon lämpötilaan kvarkit ja gluonit vapautuvat protoneista ja neutroneista jäähdyttyään kvarkki-gluoniplasma alkaa muodostaa jälleen ytimiä ja atomeita ALICE havainnoi kvarkkigluoniplasmaa, materiaa joka muodostui vain hetki alkuräjähdyksen jälkeen

33 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) suurin koskaan rakennettu ilmaisin, 7000 tonnia ATLAS-projektissa yli 3000 tutkijaa 38 maassa luotaa mm. perushiukkasia, tutkimusalue laaja: higgsin bosoneista muihin ulottuvuuksiin

34 CMS Compact Muon Solenoid käyttää valtavaa solenoidimagneettia kääntämään LHC-kiihdyttimen törmäyksissä syntyvien hiukkasten radat tutkitaan mm. pimeää ainetta ja muita ulottuvuuksia (tihkuuko gravitoneja muihin ulottuvuuksiin?)

35 LHCb Large Hadron Collider beauty yrittää valottaa, miksi maailmankaikkeus koostuu materiasta eikä antimateriasta löydetty myös uusia pentakvarkkeja (4 kvarkkia, 1 antikvarkki)

36 LHCf The Large Hadron Collider forward kokeessa simuloidaan kosmisia säteitä tutkitaan hiukkasia, jotka lentävät suoraan törmäyksen jälkeen

37 MOEDAL Monopole and Exotics Detector at the LHC koe etsii hypoteettista hiukkasta: magneettista monopolia

38 ACE The Antiproton Cell Experiment tutkii antiprotonien käyttöä syöpähoidoissa antiprotonin törmäys syöpäsolussa olevan atomin protoniin ei tuhoaisi terveitä soluja

39 ASACUSA Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons tutkii materiaantimateriatörmäyksiä antiprotoneilla ja antiheliumeilla hidastettuja antiprotoneja suihkutetaan heliumkaasuun heliumatomin elektroni korvataan antiprotonilla (molemmat ovat varaukseltaan e) antiprotonin massaa voidaan mitata erittäin tarkasti

40 AEGIS Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy käyttää antiprotonisädettä maan vetovoiman kiihtyvyyden mittaukseen mitataan, kuinka paljon antiprotoni tipahtaa maan painovoiman vuoksi saavutetaan 1 % tarkkuus

41 ALPHA Antihydrogen Laser Physics Apparatus tuottaa, sieppaa ja tutkii antivetyatomeita sekä vertaa niitä vetyatomeihin ALPHA-kokeessa antivetyjä on saatu säilymään jopa 16 minuuttia

42 AMS The Alpha Magnetic Spectrometer Etsii pimeää ainetta ja antiainetta. Detektori on on ISSmoduulissa.

43 Kiitos mielenkiinnosta ja antoisaa tutustumismatkaa CERNiin! Lähteet LHC: The Guide (Communication Group, CERN-Brochure Eng) Sami Nurmi (JYU): Aineen rakenne ja maailmankaikkeuden synty (esitelmä ) Tammi/Sanomapro: Fysiikka-sarja Wiley&Sons: University Physics, 1995 Wikipedia