Standardmodellen og moderne fysik

Transkript

1 Standardmodellen og moderne fysik Christian Christensen Niels Bohr instituttet Stof og vekselvirkninger Standardmodellen Higgs LHC ATLAS Kvark-gluon plasma ALICE Dias 1

2 Hvad beskriver standardmodellen? Hvordan stof opfører sig dvs. vekselvirkninger mellem stof Hvad vi forstår ved stof 0.1m Dias m 10-10m 10-14m 10-15m

3 Hvad forstår vi ved stof? Al stof og vekselvirkninger forklares vha. 2 slags partikler: Dias 3 Kraft formidlere (bosoner) (fermioner) Leptoner Kvarker Fermioner er stof partikler og eksistere i sig selv Bosoner er kraft formidlere og findes kun i en vekselvirkning fotoner: elektromagnetisk } Gluoner: stærke kernekraft Z and W bosons: svage kernekraft

4 Hvilke vekselvirkninger kender vi? Tyngde Æblet falder, månen bliver i sin bane. Elektromagnetisme Lyspærer, elektrisk ladning (fotoner) Svage kernekraft Tunge grundstoffer (W og Z bosoner) Dias 4 Kvarker i Stærke kernekraft kernepartiklerne, kernepartikler i kernen, farve (gluoner)

5 Tyngdekraften det sorte får Standardmodellen beskriver ikke tyngdekraften på samme måde Einsteins generelle relativitetsteori er den bedste beskrivelse En geometrisk beskrivelse af tyngde. Kan ikke kvantiseres dvs. vi kan ikke lave en einstein partikel. Radikal anderledes en resten af standardmodellen ikke kompatibel Forsøg på at forene tyngde med resten kan findes i (spekulative) teorier som strengteori el. lign. Dias 5

6 Standardmodellens byggesten Heisenbergs usikkerhedsrelationer p x ℏ Einsteins specielle relativitetsteori E =mc 2 Fører til en beskrivelse af partikler som felter der spænder hele universet Vekselvirkninger er rørelser i disse felter Dias 6 Hver lille rørelse vil reflektere sig ud i det astrale energifelt, hvor den energimæssigt kan ses som farver, symboler og strukturer. Frank Lorentzen, musiker og clairvoyant åndforsker og inspirator

7 Bohr vs. Einstein EPR paradoks Tag to elektroner og bind dem sammen. Fjern dem lysår fra hinanden. Mål x1 af den ene (dvs Δx1=0) Hvis vi måler p2 af den anden samtidig kender vi p1 (dvs Δp1=0) pga. bindingen. Sludder det Ikke muligt da Δx1Δp1 h/2π betyder elektronerne kommunikere hurtigere en lyset det kan man ikke! Eksperimentet: Einstein tog fejl Dias 7

8 E=mc2 Alt er energi Partikler har masse Alle typer partikler har en tilsvarende antipartikel (e-/e+, u/ū,...) Partikel + anti-partikel annihillerer og bliver til energi for derefter at blive til ny partikel + anti-partikel par Dias 8

9 Kvantefelt-teori alt er energi-felter Mystikkerne har ret alt er felter! Et felt er en sandsynlighedsfordeling Φ over hele universet. Vi siger at en partikel er et bestemt sted hvis feltet (sandsynligheden) er højt dér. Der er cirka 20 sådanne felter i standardmodellen. Dias 9

10 ... og så endelig formlen! L = j i q j D q j tr G G k i k D k F j F j B j B j Fra dette udtryk kan nær sagt alt vi ved udledes! Husk, det er denne ligning der giver os avanceret elektronik, håb om ren fusion, osv. osv. Dias 10

11 Lidt mere udførligt... Men det er bare matematik lad os se lidt på hvad det kan... Dias 11

12 Forudsigelser og udfordringer Standard modellen forudsiger MW= ± GeV MZ= ± GeV Vi har målt MW=80.398±0.025 GeV MZ= ± GeV Standard modellen forudsiger en Higgs partikel Den er ikke blevet observeret endnu trods ihærdige forsøg Dias 12

13 Higgs partiklen Giver de andre partikler masse Or...how to increase viamange Enyour festmass med interaction with your surroundings fysikkere En kendt fysiker kommer ind, og prøver at komme til baren i den anden ende Andre omringer ham, svære for ham at bevæge sig større masse pga vekselvirkning med omgivelserne Dias 13

14 Hvordan finder vi (om muligt) Higgs? Kollidere partikler med ekstrem høje hastigheder (99,999...% af lysets hastighed) Energien omdannes til masse dvs nye partikler (husk: E=mc2) Eksperimenter måler på de dannede partikler for at lede efter de (sjældne) Higgs partikler. Dias 14

15 Large Hadron CERN Dias 15

16 ATLAS På størrelse med en katadral Opdage nye partikler (inkl. Higgs) >1500 medlemmer fra hele verden. NBI med i Inner Tracker Dias 16

17 Det tidlige univers og kvarker Standardmodellen forudsiger en kvark-gluonplasma Tilstand af stof ~ 1/ sekund efter big bang. Kvarker er frie kan undersøge stærke kernekrafter Dias 17

18 Den stærke kernekraft Kvarker og gluoner har farve ladning -> kvarkkvark potential. Hvis man prøver at skille to kvarker ad, får man blot 2 nye kvarker. V(r) a/r+b r a/r r Kvalitativ forskel mellem q-q og Coulomb potentialler Dias 18

19 Kvark-gluon plasma Confinement: kvarker og gluoner er bundet i hvide objekter (hadroner) Farve kan ikke undersøges direkte, men... Dias hvis vi presser hadronisk stof sammen... bliver q-q potentiallet afskærmet og hadronerne smelter kvark gluon plasma

20 Tung-ions kollisioner Før kollison: ~ % lyshastighed, Lorentz forkortet panekager Stærke vekselvirkninger, kvark stof lavet, høj tæthed & temperatur Fase overgang? Kombinere til hadroner (confined) Slut tilstand Observable partikler Dias 20

21 ALICE EMCAL ITS T0, V0 beam TRD TPC MUON PMD HMPID beam TOF Dias 21 PHOS FMD

22 Måle partikler Tønde detektorer (ITS, TPC, TRD, TOF, HMPID): måler partikel spor og type MUON: Direkete di-lepton målinger. PHOS: Direkte foton målinger T0, V0: aftrækker detektorer FMD: Partikel antal, reaktionsplan, og flow Dias 22

23 Efter standardmodellen? Standardmodellen er ikke komplet vi mangle tyngdekraften. Den er heller ikke tilstrækkelig hvorfor har partiklerne de masser de har? Forskellige forslag til at løse problemerne: Super symmetri Strenge... og andre Men sådan er fysik vi finder nok aldrig alle svarene! Dias 23