Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa teoreetikon näkökulmasta



Samankaltaiset tiedostot
Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

Tampere Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Vuorovaikutuksien mittamallit

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Valtteri Lindholm (Helsingin Yliopisto) Horisonttiongelma / 9

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

Arttu Haapiainen ja Timo Kamppinen. Standardimalli & Supersymmetria

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se?

PIMEÄ ENERGIA mysteeri vai kangastus? Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

(Hiukkas)fysiikan standardimalli

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

Kosmologian yleiskatsaus. Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Friedmannin yhtälöt. Einsteinin yhtälöt isotrooppisessa, homogeenisessa FRW-universumissa 8 G 3. yleisin mahdollinen metriikka. Friedmannin yhtälö

QCD vahvojen vuorovaikutusten monimutkainen teoria

Maailmankaikkeuden kriittinen tiheys

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria

KVANTTIKOSMOLOGIAA VIRKAANASTUJAISESITELMÄ, PROFESSORI KIMMO KAINULAINEN. Arvoisa Dekaani, hyvä yleisö,

Planck ja kosminen mikroaaltotausta

Higgsin fysiikkaa. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

Osassa 1 käsiteltiin siirtymää klassisesta fysiikasta moderniin fysiikkaan, fysiikan suhdetta muihin tieteenaloihin ja roolia tieteellisessä

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Fysiikkaa runoilijoille Osa 6: kosmologia

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

Teoreettisen fysiikan tulevaisuuden näkymiä

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku. Oili Kemppainen

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

Fysiikan nykytila ja saavutukset

CERN-matka

Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä

Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

Neutriino-oskillaatiot

Robert Brout. Higgsin bosoni. S. Lehti Fysiikan tutkimuslaitos Helsinki. Francois Englert. Peter Higgs

Kosmos = maailmankaikkeus

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Moderni fysiikka kevät 2011

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén

Inflaatio ja ei-gaussiset perturbaatiot

Pimeä energia. Hannu Kurki- Suonio Kosmologian kesäkoulu 2015 Solvalla

Fysiikan maailmankuva 2015

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

S U H T E E L L I S U U S T E O R I AN P Ä Ä P I I R T E I T Ä

STANDARDIMALLI. Perus- Sähkö- Elektronin Myonin Taun hiukka- varaus perhe perhe perhe set

PARADIGMOJEN VERTAILUPERUSTEET. Avril Styrman Luonnonfilosofian seura

Kosmologia. Kosmologia on yleisen suhteellisuusteorian sovellus suurimpaan mahdolliseen systeemiin: tutkitaan koko avaruuden aikakehitystä.

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

Paula Eerola

Kvan%fysiikan historiaa

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

Kosmologia. Kosmologia tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena:

Hiukkasfysiikan uudet teoriat. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

MAAILMANKAIKKEUDEN SYNTY

Atomimallit. Tapio Hansson

Fysiikka 8. Aine ja säteily

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia

Atomimallit. Tapio Hansson


REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Perusvuorovaikutukset

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

MAAILMANKAIKKEUDEN SYNTY

Ensimmäisessä fysiikan jaksossa käsitellään maailmankaikkeutta, aineen rakennetta ja ydinenergiaa. Oppikirja s ja

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Triggeri. Tuula Mäki

Maailmankaikkeuden synty ja aineen perusrakenne

KVANTTITELEPORTAATIO. Janne Tapiovaara. Rauman Lyseon lukio

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Flrysikko Higgs iuhli. löytymistä 4. z.totz

Planck-satelliitti ja kaiken alku

12. Hiukkasfysiikka Peruskäsitteitä. Antihiukkaset

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Lataa Maailmanlopun hiukkanen - Sean Carroll. Lataa

Transkriptio:

teoreetikon näkökulmasta Aleksi Vuorinen Bielefeldin yliopisto CERN, 3.6.2013

Sisältö Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Sisältö Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Mitä (teoreettinen) hiukkasfysiikka oikein on? Halu kuvata luonnon toimintaa pienimmillä pituusskaaloilla, ts. mahdollisimman fundamentaalilla tasolla Hiukkasfysiikan peruskysymyksiä: Mistä kaikki koostuu? Mitkä ovat aineen pienimmät rakenneosaset? Miten niiden vuorovaikutuksia voi kuvata? Läheinen yhteys myös kosmologian ongelmiin: Mikä on maailmankaikkeuden suuren skaalan rakenne? Miten universumi syntyi ja miten se tulee kehittymään? Teoreettinen fysiikka: liitutaululla tehtävä työ Havaittujen luonnonlakien pukeminen matemaattisten mallien muotoon. Symmetrioilla usein tärkeä rooli prosessissa. Lisähaaste: pyrkimys eleganssiin toive selittää eri ilmiöt mahdollisimman yleispätevän teorian avulla

Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Mitä (teoreettinen) hiukkasfysiikka oikein on? Hiukkasfysiikan historia matka kohti yhä pienempiä pituusja suurempia energiaskaaloja ja uusia hiukkasia Vrt. aaltoliikkeen perusyhtälö λ = v/f, aaltohiukkasdualismi Kehitys useimmiten koevetoista: ilmiö havaitaan ensin ja yritetään sitten selittää matemaattisella mallilla Tällä hetkellä asetelma päinvastainen: kokeellisen hiukkasfysiikan state of the art 10 20 m, teoreettisen 10 36 m. Esim. Higgsin mekanismi jo miltei 50-vuotias.

Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Mitä (teoreettinen) hiukkasfysiikka oikein on? Hiukkasfysiikan historian peruskaava: pitkiä jaksoja koevetoista työtä, joita seuraa (teoreettinen) läpimurto Jatkuuko sama myös tulevaisuudessa? Putoaako peruselementtien määrä vielä joskus yhteen?

Effektiiviset teoriat Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Puheen loppuosa yhdessä lauseessa: Tähän päivään mennessä kokeellisesti havaittujen hiukkasfysiikan ilmiöiden effektiivinen teoria on Standardimalli.

Effektiiviset teoriat Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Kaikki fysiikan ja muidenkin (luonnon)tieteiden teoriat effektiivisiä: äärellinen pätevyysalue Kaiken teoria ei luultavasti kovin käytännöllinen

Effektiiviset teoriat Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Kaikki fysiikan ja muidenkin (luonnon)tieteiden teoriat effektiivisiä: äärellinen pätevyysalue Kaiken teoria ei luultavasti kovin käytännöllinen Teoriaa rakennettaessa tärkeää identifioida: Olennaiset vapausasteet (muuttujat) Teoriaa kuvaavat parametrit, jotka mitataan tai lasketaan fundamentaalimmasta teoriasta Esimerkkejä: atomifysiikka, kemia, sosiaalipsykologia, Standardimalli,...

Sisältö Johdanto Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Kaikki tavallinen aine koostuu atomeista, jotka puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen alirakenne: pistemäiset kvarkit Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja SM:ssa vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen sekä heikko ja vahva (ydin)voima... sekä 2011 vihdoin havaittu, sähköisheikon symmetriarikon (massojen synnyn) selittävä Higgsin hiukkanen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Kaikki tavallinen aine koostuu atomeista, jotka puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen alirakenne: pistemäiset kvarkit Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja SM:ssa vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen sekä heikko ja vahva (ydin)voima... sekä 2011 vihdoin havaittu, sähköisheikon symmetriarikon (massojen synnyn) selittävä Higgsin hiukkanen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Kaikki tavallinen aine koostuu atomeista, jotka puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen alirakenne: pistemäiset kvarkit Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja SM:ssa vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen sekä heikko ja vahva (ydin)voima... sekä 2011 vihdoin havaittu, sähköisheikon symmetriarikon (massojen synnyn) selittävä Higgsin hiukkanen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Kaikki tavallinen aine koostuu atomeista, jotka puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen alirakenne: pistemäiset kvarkit Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja SM:ssa vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen sekä heikko ja vahva (ydin)voima... sekä 2011 vihdoin havaittu, sähköisheikon symmetriarikon (massojen synnyn) selittävä Higgsin hiukkanen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Kaikki tavallinen aine koostuu atomeista, jotka puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen alirakenne: pistemäiset kvarkit Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja SM:ssa vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen sekä heikko ja vahva (ydin)voima... sekä 2011 vihdoin havaittu, sähköisheikon symmetriarikon (massojen synnyn) selittävä Higgsin hiukkanen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen

Standardimallin osat ja rakenne Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Ainehiukkaset Kvarkit ja leptonit 3 perhettä Välittäjähiukkaset γ, W ±, Z, g Higgsin hiukkanen Tarvitaan selittämään hiukkasten massat mh 126 GeV 1 MeV = 1.8 10 30 kg c 2 = 1.6 10 13 J

Standardimallin osat ja rakenne Sähkömagneettinen vuorov. Välittäjä: fotoni γ Tuntee: kaikki sähköisesti varatut hiukkaset Heikko ydinvoima: Välittäjät: W ±, Z Tuntee: Kaikki paitsi γ ja g Erikoisuus: Mittabosonien massat, W:n itseisvuorovaikutus Vahva ydinvoima: Välittäjä: gluoni g Tuntee: kvarkit ja gluoni g:n itseisvv, confinement Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Standardimalli fysikaalisena teoriana Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon vrt. klassinen mekaniikka ja elektrodynamiikka Teorian peruselementtejä kentät, joiden pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen: Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen aallonpituus (ts. sitä vähemmän aaltomainen) Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. mahdollisten hajoamiskanavien määrä Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät vuorovaikutusten muodon Standardimallin mittaryhmä SU(3) SU(2) U(1)

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Standardimalli fysikaalisena teoriana Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon vrt. klassinen mekaniikka ja elektrodynamiikka Teorian peruselementtejä kentät, joiden pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen: Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen aallonpituus (ts. sitä vähemmän aaltomainen) Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. mahdollisten hajoamiskanavien määrä Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät vuorovaikutusten muodon Standardimallin mittaryhmä SU(3) SU(2) U(1)

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Standardimalli fysikaalisena teoriana Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon vrt. klassinen mekaniikka ja elektrodynamiikka Teorian peruselementtejä kentät, joiden pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen: Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen aallonpituus (ts. sitä vähemmän aaltomainen) Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. mahdollisten hajoamiskanavien määrä Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät vuorovaikutusten muodon Standardimallin mittaryhmä SU(3) SU(2) U(1)

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Standardimalli fysikaalisena teoriana Toimii loistavasti: (lähes) kaikki tähän mennessä tehdyt hiukkasfysiikan mittaukset voidaan ennustaa kvantitatiivisesti tästä funktiosta lähtien.

Standardimallin puutteet Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Effektiivisenä teoriana SM epätäydellinen Rajallinen pätevyysalue: ongelmia pienillä pituusskaaloilla / suurilla energioilla Hiukkasten massoilla (ja monilla muilla parametreilla) mielivaltaiset arvot Perheiden lukumäärälle ei selitystä Vain sähkömagneettinen ja heikko vuorov. yhdistyvät korkeilla energioilla, vahva jää erilleen Hierarkiaongelma: miksi SM:n energiaskaala (100 GeV) niin kaukana kvanttigravitaation skaalasta (10 19 GeV)?

Standardimallin puutteet Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen SM ei selitä kaikkia havaintoja Ei sisällä gravitaatiota Neutriinoilla ei massoja, vaikka havainnot (neutriino-oskillaatio) osoittavat toisin Ei selitä baryoniasymmetriaa: miksi ainetta enemmän kuin antiainetta? Suurin osa maailmankaikkeuden energiasisällöstä ei SM:n piiristä (pimeä aine, pimeä energia)

Standardimallin puutteet Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen SM ei selitä kaikkia havaintoja Ei sisällä gravitaatiota Neutriinoilla ei massoja, vaikka havainnot (neutriino-oskillaatio) osoittavat toisin Ei selitä baryoniasymmetriaa: miksi ainetta enemmän kuin antiainetta? Suurin osa maailmankaikkeuden energiasisällöstä ei SM:n piiristä (pimeä aine, pimeä energia) LHC:n törmäysenergian uskottu yleisesti riittävän SM:n ulkopuolisen fysiikan loytämiseen toistaiseksi mitään viitteitä tästä ei kuitenkaan ole ilmaantunut

Standardimallin yleistyksiä Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Paljon malleja vähän kokeellista dataa

Standardimallin yleistyksiä Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Paljon malleja vähän kokeellista dataa SUSY: Jokaisella SM:n hiukkasella superpartneri Superpartnereja ei vielä löydetty Symmetria rikkoutunut toistaiseksi tutkituilla energioilla Tarjoaa selitysmallit mm. pimeälle aineelle ja baryoniasymmetrialle

Standardimallin yleistyksiä Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Paljon malleja vähän kokeellista dataa Lisäulottuvuudet: entä jos universumissa on enemmän kuin 3 + 1 dimensiota? Ylimääräiset ulottuvuudet yleensä mikroskooppisia, eivätkä siksi helposti havaittavissa Pimeä aine ja hierarkiaongelma ratkaistavissa

Standardimallin yleistyksiä Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Paljon malleja vähän kokeellista dataa Säieteoria: Hiukkaset Planckin pituuden kokoiset säikeet 9+1 ulottuvuudessa Ratkaisee kvanttikenttäteorioiden UV-ongelman; lisäksi ainoa vakavasti otettava yrite kvanttigravitaation teoriaksi Sisältää sekä SUSY:n että lisäulottuvuuksia Landscape -ongelma: säieteoria ei välttämättä koskaan prediktiivinen/falsifioitavissa

Sisältö Johdanto Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Varhainen maailmankaikkeus ikkunana SM:n ulkopuolelle Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E E LHC Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: kosmologia(!) Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia) laski ajan myötä: T t 1/2 Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava Alkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset Varhaisen maailmankaikkeuden energiasisältö Laajanemisen nopeus ja sen aikaiset fysikaaliset prosessit Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus, kosmiset reliikit,...

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Varhainen maailmankaikkeus ikkunana SM:n ulkopuolelle Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E E LHC Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: kosmologia(!) Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia) laski ajan myötä: T t 1/2 Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava Alkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset Varhaisen maailmankaikkeuden energiasisältö Laajanemisen nopeus ja sen aikaiset fysikaaliset prosessit Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus, kosmiset reliikit,...

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Varhainen maailmankaikkeus ikkunana SM:n ulkopuolelle Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E E LHC Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: kosmologia(!) Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia) laski ajan myötä: T t 1/2 Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava Alkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset Varhaisen maailmankaikkeuden energiasisältö Laajanemisen nopeus ja sen aikaiset fysikaaliset prosessit Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus, kosmiset reliikit,...

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla / joka suunnassa Hubblen laki: kaukaiset kohteet näyttävät loittonevan meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden etäisyyteen Luonnollinen päätelmä: maailmankaikkeus laajenee Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa: supernovat avuksi Suuren mittakaavan rakenne Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä, joiden välissä tyhjiä alueita

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla / joka suunnassa Hubblen laki: kaukaiset kohteet näyttävät loittonevan meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden etäisyyteen Luonnollinen päätelmä: maailmankaikkeus laajenee Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa: supernovat avuksi Suuren mittakaavan rakenne Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä, joiden välissä tyhjiä alueita

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla / joka suunnassa Hubblen laki: kaukaiset kohteet näyttävät loittonevan meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden etäisyyteen Luonnollinen päätelmä: maailmankaikkeus laajenee Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa: supernovat avuksi Suuren mittakaavan rakenne Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä, joiden välissä tyhjiä alueita

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosminen mikroaaltotaustasäteily (CMB) Maailmankaikkeuden täyttävä elektromagneettinen säteily, jonka energia vastaa 2.7 K lämpötilaa Peräisin atomien muodostumisen hetkeltä (n. 300.000 v), jolloin maailmankaikkeudesta tuli läpinäkyvä Hyvin isotroppisessa lämpötilajakaumassa kertaluokan 10 5 fluktuaatioita, joiden kulmajakaumaa voidaan verrata teoreettisiin ennusteisiin NASA:n WMAP- ja ESA:n Planck-satelliitin (3/2013) havainnot tehneet kosmologiasta tarkkuustiedettä Maailmankaikkeuden ikä 13.80±0.06 10 9 v Universumin energiasisältö: tavallinen (baryoninen) aine 5%, pimeä aine 27%, loput 68% pimeää energiaa

Johdanto Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian ka sitteisto a Kosmologiset havainnot

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosminen mikroaaltotaustasäteily (CMB) Maailmankaikkeuden täyttävä elektromagneettinen säteily, jonka energia vastaa 2.7 K lämpötilaa Peräisin atomien muodostumisen hetkeltä (n. 300.000 v), jolloin maailmankaikkeudesta tuli läpinäkyvä Hyvin isotroppisessa lämpötilajakaumassa kertaluokan 10 5 fluktuaatioita, joiden kulmajakaumaa voidaan verrata teoreettisiin ennusteisiin NASA:n WMAP- ja ESA:n Planck-satelliitin (3/2013) havainnot tehneet kosmologiasta tarkkuustiedettä Maailmankaikkeuden ikä 13.80±0.06 10 9 v Universumin energiasisältö: tavallinen (baryoninen) aine 5%, pimeä aine 27%, loput 68% pimeää energiaa

Kosmologiset havainnot Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle Pimeä aine: näkymätön aine, joka vastaa > 80% kaikesta materiasta Pimeä = Ei vuorovaikuta valon (fotonien) kanssa Olemassaolo päätelty mm. galaksien rotaatiokäyristä Selittäminen vaatii uutta hiukkasfysiikkaa Ehdokkaita: SM:ssa pimeät baryonit, neutriinot liian vähän Varteenotettavin(?): fotonin SUSY-partneri, neutraliino Muut: aksionit, pienet mustat aukot, technihiukkaset, neljännen perheen neutriino, korkeampiulotteisten kenttien massiiviset osat,...

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle Pimeä energia: tasaisesti jakautunut energiatiheys, jonka paine negatiivinen Pitää sisällään 70% universumin energiasisällöstä Tarvitaan selittämään havaittu maailmankaikkeuden laajenemiseen kiihtyminen Selitysmalleja: Einsteinin kosmologinen vakio Λ, tyhjiöenergia hiukkasfysiikassa pientä arvoa kuitenkin vaikea selittää Muu tyhjiöenergian tapaan käyttäytyvä aine Muutos gravitaatiolakiin suurilla etäisyyksillä Supernovahavaintojen virheellinen tulkinta, erityisesti epähomogeenisuuksien merkityksen aliarvioiminen

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle Inflaatio: varhaisen maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen Auttaa selittämään universumin havaitun isotrooppisuuden, homogeenisuuden ja laakeuden Universumin rakenne lähtöisin inflaation aikaisista kvanttifluktuaatioista Vaatii uutta fysiikkaa: inflatonikenttä Planckin tulokset (CMB-spektrin ei-gaussisuus häviävän pientä) yhteensopivia yksinkertaisimman yhden inflatonikentän mallin kanssa

Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle Baryogeneesi: miksi tavallista (baryonista) ainetta on enemmän kuin antiainetta? Kiistaton havainto: (n B n B)/n γ 6 10 10 Eron muodostuminen vaatii kolmen Sakharovin ehdon täyttymisen: 1. Baryoniluku-symmetrian rikkoutuminen 2. C- ja CP-symmetrioiden rikkoutuminen 3. Terminen epätasapainotila Standardimalli sisältää kaksi ensinmainittua, mutta sähköisheikko faasitransitio liian heikko Tarvitaan sen ulkopuolista fysiikkaa Monissa SUSY-malleissa Sakharovin ehdot täyttyvät; muita mahdollisia skenaarioita mm. Cold Electroweak Baryogenesis

Sisältö Johdanto Motivaatiota Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset Standardimallin rakenne ja rajoitukset Standardimallin tuolla puolen Varhainen maailmankaikkeus Kosmologian käsitteistöä

Teoreettinen hiukkasfysiikka pyrkimistä kohti aineen pienimpien rakenneosasten vuorovaikutusten ymmärrystä ja matemaattista hallintaa Lähes kaikki tähän päivään mennessä havaitut ilmiöt selittää Standardimalli SM:n viimeinen puuttuva lenkki vihdoin löytynyt Standardimallin ulkopuolinen fysiikka läheisesti yhteydessä kosmologiaan Varhainen maailmankaikkeus hiukkasfysiikan laboratorio Hiukkasfysiikka välttämätontä universumin alkuhetkien ymmärtämiseksi Elämme jännittäviä aikoja: LHC:n löydöt määräävät pitkälti koko alan tulevaisuuden