Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Transkriptio

1 Mahtuuko kaikkeus liitutaululle? Teoreettinen näkökulma hiukkasfysiikkaan Jaana Heikkilä, CERN,

2 Ylioppilas, 2010, Madetojan musiikkilukio, Oulu LuK (Fysiikka, teor. fysiikka), 2013, Oulun yliopisto FM (Hiukkasfysiikka), 2015, Helsinin yliopisto Työura: CUPP, Pyhäsalmi/Oulu, kesä 2012 CERN (summer student), kesä 2013 HIP (tohtorikoulutettava),

3 Hiukkasfysiikan tarkoituksena on muun muassa ymmärtää - mistä kaikkeus koostuu? (hiukkaseläintarha) - miten kaikki sai alkunsa? (Bi Ban) - miksi olemme olemassa? (antimateria+materia=x?) Teoreetikot pyrkivät vastaamaan näihin kysymyksiin MUTTA. miksi hiukkasfysiikan kokeita tarvitaan?

4 Tietovisa: Miksi hiukkasfysiikan kokeita tarvitaan? A) Koska fyysikotkin tarvitsevat töitä B) Koska niihin liittyen saa hyviä elokuvia (esim. Enkelit ja demonit) C) Koska salaliittoteorioita pitää ruokkia jotenkin D) Joku muu, mikä?

5 Tietovisa: Miksi hiukkasfysiikan kokeita tarvitaan? A) Koska fyysikotkin tarvitsevat töitä B) Koska niihin liittyen saa hyviä elokuvia (esim. Enkelit ja demonit) C) Koska salaliittoteorioita pitää ruokkia jotenkin D) Joku muu, mikä?

6 Teoria ei ole mitään ilman kokeellista vahvistusta!

7 Hiukkasfysiikan kokeita - jokaiselle jotakin!

8 Minä ja CMS-koelaite, kesällä 2013

9 Teoria ei ole mitään ilman kokeellista vahvistusta! mutta ilman teorioita kokeet eivät tiedä mitä ja mistä etsiä!

10 CMS-kokeen tavoitteet Standardimallin tutkiminen: Hisin bosoni sekä muut kaverit! Supersymmetrian ja lisäulottuvuuksien etsiminen Korkeaenerisen hiukkasfysiikan tutkiminen

11 CMS-kokeen tavoitteet Puhutaan tästä Standardimallin tutkiminen: Hisin bosoni sekä muut kaverit! Supersymmetrian ja lisäulottuvuuksien etsiminen Korkeaenerisen hiukkasfysiikan tutkiminen

12 CMS-kokeen tavoitteet Standardimallin tutkiminen: Hisin bosoni sekä muut kaverit! Mihin tätä tarvittiinkaan?! Puhutaan tästä Supersymmetrian ja lisäulottuvuuksien etsiminen Korkeaenerisen hiukkasfysiikan tutkiminen

13 CMS-kokeen tavoitteet Standardimallin tutkiminen: Hisin bosoni sekä muut kaverit! Mihin tätä tarvittiinkaan?! Puhutaan tästä Supersymmetrian ja lisäulottuvuuksien etsiminen Mikä on supersymmetria? Korkeaenerisen hiukkasfysiikan tutkiminen

14 Standardimalli Hiukkasfysiikan jaksollinen järjestelmä Kertoo meille mitkä ovat aineen rakennuspalikat, miten ne vuorovaikuttavat, ja miten alkeishiukaset saavat massansa! +

15 Rakennuspalikat eli alkeishiukkastarha Fermionit = ainehiukkaset kvarkit (6 kpl) leptonit (6 kpl) Bosonit = voimanvälittäjät Hisin hiukkanen (bosoni) +

16 Mikä on hiukkanen? Kvanttimekaniikka aalto-hiukkasdualismi epätarkkuusperiaate Dx Dp > hbar Suppea suhteellisuusteoria valonnopeus vakio fysiikan lait nopeudesta riippumattomat Kvanttikenttäteoria Hiukkanen -- kenttä

17 Hiukkanen on kenttä, kenttä on hiukkanen Valo on sähkö- ja maneettikenttien värähtelyä Pienin mahdollinen värähdys: fotoni Elektroni on elektronikentän värähdys

18 Fermionit (ainehiukkaset) Muodostavat kaiken tunnetun aineen protoni = 2 ylös-kvarkkia + 1 alas-kvarkki neutroni = 1 ylös-kvarkki + 2 alas-kvarkkia Fermioneilla spin on puoliluku Paulin kieltosääntö: Kahta täysin identtistä fermionia ei voi laittaa samaan kvanttitilaan TÄH?! MITEN NIIN IDENTTISIÄ?

19 Hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään perusvuorovaikutuksilla

20 Neljä perusvuorovaikutusta Sähkömanetismi: sähkö- ja maneettikentät Vahva ydinvoima: pitää atomiytimet kasassa Heikko ydinvoima: saa aurinon paistamaan Painovoima: estää australialaisia putoamasta avaruuteen

21 Kuinka vuorovaikutus toimii? Vuorovaikutus välittyy: Klassisesti: kentän kautta Kvanttimekaanisesti: virtuaalisen hiukkasen vaihto

22 Sähkömanetismi Aiheuttaa sähköiset ja maneettiset ilmiöt Välittäjäbosoni: fotoni Kaikki sähkövaratut hiukkaset kokevat tämän

23 Sähkömanetismi Aiheuttaa sähköiset ja maneettiset ilmiöt Välittäjäbosoni: fotoni Kaikki sähkövaratut hiukkaset kokevat tämän

24 Vahva vuorovaikutus Sitoo protonit yhteen Välittäjäbosoni: luoni Kaikki värivaratut hiukkaset osallistuvat vv:hen

25 Vahva vuorovaikutus Kvarkkeja 3 eri väriä [rb] r b Fotonit kytkeytyvät sähkövaraukseen, luonit värivaraukseen: vain kvarkit [rb] Gluonit myös värivarattuja: itseisvuorovaikutus! Värisähkökenttä ei ainoastaan aiheuta voimaa vaan muuttaa kvarkkien värivarausta: rb, b,... B F v different chare feels the field differently Chromo-B field causes color rotation

26 Standardimallin luonit

27 Standardimallin luonit Voima jolla kaksi sähkövarausta vetää toisiaan puoleensa F = q1 q2 / r^2

28 Standardimallin luonit Voima jolla kaksi sähkövarausta vetää toisiaan puoleensa F = q1 q2 / r^2 Voima jolla kaksi värivarausta vetää toisiaan puoleensa on vakio (pitkällä matkalla) F = (400 MeV)^2

29 Niin siis kuinka paljon? F=(400MeV)2 ~ 130 kn Värivankeus (color confinement)

30 Standardimallin luonit q q q q q q q q q q q q q q q q Soft partons mostly luons Värivankeuden takia kvarkit ja luonit pysyvästi sidottu värineutraaleihin möykkyihin: Protonit, Neutronit, pionit, kaonit,...

31 Heikko vuorovaikutus Mukana radioaktiivisessa hajoamisessa Välittäjäbosonit: W(+,-) ja Z W:n erikoisuus: vaihtaa väsenkätisen hiukkasen toiseksi

32 Miksi heikkovuorovaikutus on heikko? Välittäjäbosonit ovat raskaita kantama on todella lyhyt m_e = GeV 91 GeV 80 GeV

33 Miksi heikkovuorovaikutus on heikko? Välittäjäbosonit ovat raskaita kantama on todella lyhyt m_e = GeV 91 GeV 80 GeV Nobelin arvoinen onelma: Jos luoni ja fotoni ovat massattomia, miksi W ja Z ovat painavia?

34 Miksi heikkovuorovaikutus on heikko? Välittäjäbosonit ovat raskaita kantama on todella lyhyt m_e = GeV 91 GeV 80 GeV Nobelin arvoinen onelma: Jos luoni ja fotoni ovat massattomia, miksi W ja Z ovat painavia? Nobelin sai His & Enlert..

35 Löydä His

36 Löydä His

37 Hisin mekanismi c c c v<c Kun valo etenee väliaineessa, sen nopeus on pienempi kuin c. Siroaa kuin pinispallo. His et al. ajattelivat että ehkä tyhjiö ei olekaan tyhjä, vaan sen täyttää Hisin kenttä Jotkut hiukkaset hidastuvat Hisin kentässä enemmän kuin toiset mitä enemmän hidastuu, sitä raskaampi Hisin kentän värähtelyt = Hisin hiukkanen

38 Hisin mekanismi c c c v<c Kun valo etenee väliaineessa, sen nopeus on pienempi kuin c. Siroaa kuin pinispallo. His et al. ajattelivat että ehkä tyhjiö ei olekaan tyhjä, vaan sen täyttää Hisin kenttä Jotkut hiukkaset hidastuvat Hisin kentässä enemmän kuin toiset mitä enemmän hidastuu, sitä raskaampi Hisin kentän värähtelyt = Hisin hiukkanen Jos Hisin bosoni havaitaan, teoria Hisin kentästä on oikein!

39 Hisin bosonin kokeellinen löytö 2011 m = 125 GeV

40 Maailma ja ymmärrys on valmis, lähdetään kahville!.vai unohtuiko muutama juttu?

41 Mikä tai ketkä tippui kelkasta?

42 Mikä tai ketkä tippui kelkasta?

43 Mikä tai ketkä tippui kelkasta? Kuka dumppasi ravitaation? Missä on ravitoni?

44 Mikä tai ketkä tippui kelkasta? Kuka dumppasi ravitaation? Missä on ravitoni? Mistä muodostuu jaksollisen järjestelmän rakenne?

45 Mikä tai ketkä tippui kelkasta? Kuka dumppasi ravitaation? Missä on ravitoni? Mistä muodostuu jaksollisen järjestelmän rakenne? Miksi ainetta enemmän kuin anti-ainetta? Baryoenesis

46 Mikä tai ketkä tippui kelkasta? Kuka dumppasi ravitaation? Missä on ravitoni? Miksi Hisin bosoni on niin kevyt tai niin raskas? Mistä muodostuu jaksollisen järjestelmän rakenne? Miksi ainetta enemmän kuin anti-ainetta? Baryoenesis

47 Eräs ratkaisu: supersymmetria (SUSY) Selittää Hisin kevyen massan Sisältää pimeän aineen kandidaatin Kuvaa, miksi ainetta on enemmän kuin anti-ainetta

48 Mutta onko mikään täydellistä? SUSY ei myöskään sisällä ravitaatiota.

49 Mutta onko mikään täydellistä? SUSY ei myöskään sisällä ravitaatiota. eikä sitä ole vieläkään havaittu! Etsimmekö väärästä paikasta, vai onko teoria väärin?

50 Yhteenveto Hiukkaset ovat kvanttikentän värähdyksiä Johtava teoria: epätäydellinen standardimalli Standardimallin onelmia ratkaistaan monimutkaisemmilla teorioilla (SUSY) Teoriat joko tapetaan tai vahvistetaan kokeellisin menetelmin Elämme jännittäviä aikoja: LHC voi muuttaa kuvion kokonaan