Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Transkriptio

1 Teoreetikon kuva Teoreetikon kuva hiukkasten hiukkasten maailmasta maailmasta ja ja maailmankaikkeudesta maailmankaikkeudesta Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Lapua

2 Miten käsitys aineen perimmäisestä rakenteesta on kehittynyt aikojen kuluessa? Mitä ajattelemme siitä nyt?

3 Käsitys aineen perusosasista

4

5 Kvanttien maailma Klassisen fysiikan lait eivät päde atomitasolla Esimerkiksi energia voi muuttua vain portaittain. Kvanttiteoria: Hiukkasilla ja säteilyllä sekä aalto- että hiukkasluonne. Tapahtumia ei voi ennustaa tarkasti.

6 Ensimmäiset hiukkaset Protonia ja elektronia pidettiin jonkin aikaa aineen perusosina. Neutroni löydettiin 1932 Paul Dirac keksi antihiukkaset Ensimmäinen aineen tarpeeton muoto. Neutriino Myoni 1938 Pioni 1945 Jne

7 Hiukkasten kukkatarha Tarpeettomia, ei-pysyviä hiukkasia alettiin löytää runsaasti. Kiihdyttimillä löydettiin kymmenittäin erilaisia hadroneita. Nyt tunnetaan noin luvulla keksittiin kvarkkimalli: Hadronit muodostuvat kolmesta kvarkista tai kvarkista ja antikvarkista

8 Perusvuorovaikutukset Vahva V Sähkömagneettinen Gluonit Fotoni Kvarkit Protonit Pionit jne Ydin Atomi Valo Kemia Elektroniikka Gravitaatio Heikko Gravitoni? Bosonit Aurinkokunta Galaksit Mustat aukot Auringon toiminta Beeta-aktiivisuus Neutriinot

9 Symmetria Emmy Noether keksi sata vuotta sitten yhteyden Luonnon säilymislaki Teorian symmetria Energia säilyy Liikemäärä säilyy Varaus säilyy Jne. Fysiikan matemaattiset teoriat rakennetaan symmetriaperiaatteiden pohjalta.

10 Vuorovaikutus Voimien vaikutus kuvataan välittäjähiukkasten avulla e- e- φοτονι e- e-

11 Kvanttisähködynamiikka QED Symmetriaan ( mittasymmetriaan ) perustuva kvanttiteoria aineen ja sähkömagneettisen kentän vuorovaikutukselle Voiman välittäjä on fotoni Kaikkein tarkin fysiikan teoria! Dirac Theory 1.0 QED (4) Experiments (20)

12 Sähköheikkoteoria Kun QED:n symmetriaa laajennettiin, saatiin sekä sähkömagneettista että heikkoa voimaa kuvaava mittateoria Vaatii symmetriaan särön, muuten aine olisi massatonta. Voimia välittävät fotoni ja välibosonit W ja Z

13 Kvanttiväridynamiikka QCD Vahvan voiman mittateoria Selittää kvarkkien sitoutumisen toisiinsa Sähkövarauksen vastine on väri, fotonin vastineita ovat gluonit (8 kpl)

14 Standardimalli = Sähköheikkoteoria + kvanttiväridynamiikka Kuvaa hiukkasfysiikan kannalta tärkeimmät kolme perusvuorovaikutusta Gravitaatio ei mene samaan muottiin!

15 CERNin teoreetikko John Ellis kirjoittaa taululleen standardimallin matemaattisen kaavan. Perushiukkasina kvarkit ja leptonit. Kolme perusvoimaa. Gravitaatio ei mukana. Massat tuottaa Higgsin kenttä.

16 Avoimia kysymyksiä Onko perushiukkasilla alkeellisempi alirakenne? Massan alkuperä Massahaitari Painovoiman kvanttiluonne

17 Lisää alirakenteita? MOLEKYYLIT ATOMIT YTIMET NUKLEONIT KVARKIT?? Jatkuuko ketju? Loppuvatko tutkimisen keinot?

18 Einstein: E = mc 2 Massa mittaa hiukkasen sisäistä energiaa. Sisäinen energia - osasten liike-energia - osasten vuorovaikutusenergia - osasten varsinainen massa Mitä on varsinainen massa?

19 Massan alkuperä Nykykäsitys: Avaruuden täyttää Higgsin kenttä, jonka vaikutus hiukkasiin ilmenee massana Higgsin hiukkasta ei ole vielä löydetty. Peter Higgs

20 Esitys Higgsin mallista Sali täynnä ihmisiä Higgsin kenttä Niinistö saapuu Hiukkanen saapuu Niinistö kerää ympärilleen väkeä. Eteneminen hidasta. Hiukkanen saa massan. Nopeus < valonnopeus.

21 Higgsin hiukkanen Hei, Sauli tulee Jennin kanssa! Higgsin kenttään syntyy häiriö Tieto leviää suusta suuhun läpi salin. Higgsin hiukkanen

22 CERNin LHCkokeissa etsitään Higgsin hiukkasta

23

24 Massahaitari

25 Neutriinot saattavat avata massahaitarin arvoituksen

26 Painovoiman kvanttiluonne Vaikea ongelma. Voiman luonne toinen kuin muissa vuorovaikutuksissa Lupaavin teoria supersäieteoria Hiukkaset ovat erilaisia säikeiden värähtelyjä 10- ulotteisessa avaruudessa. Täysin uusi kuva aineesta!

27 Edellä esitetty selittää vain mitättömän osan maailmankaikkeuden aineesta ja energiasta!

28 Maailmankaikkeus Pimeää energiaa 73% (Kosmologinen vakio) Tavallinen aine 4% (josta vain noin 10% näkyvää) Pimeä aine 23% Neutriinot 0.1-2%

29 Maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella

30 Pimeän aineen ja pimeän energian alkuperä ja luonne ovat tieteen suurimpia ratkaisemattomia kysymyksiä.