Holder Standardmodellen? Folkeuniversitetet, Århus, 10. marts 2014 Ved Christian Bierlich, Ph.D.-studerende, Lund Universitet

Velkommen Om mig Kandidat i eksperimentel partikelfysik fra KU Laver Ph.D i teoretisk partikelfysik i Lund Computersimulationer af kollisioner af alle typer atomkerner Fokus på modeller til forklaring af den stærke kernekraft Fænomenologi: oversættelse fra abstrakt teori til konkret virkelighed! (find i øvrigt disse slides på http://www.bierlich.net/downloads/folkeuniv2014_1.pdf) 2

Program: Holder Standardmodellen? De bedste spørgsmål kender ingen svaret på! 1. Hvorfor kan vi så godt lide Standardmodellen? 2. Hvad (og hvordan og hvorfor!) skal vi sætte i stedet? Emnet er enomt. Lars gav en bred introduktion sidst, jeg vil dvæle ved nogle vigtige pointer. Indlagt anbefalinger af litteratur til sidst i foredraget. 3

Hvorfor kan vi godt lide Standardmodellen? A. Den ser ud til at passe med virkeligheden. B. Det er en meget SMUK teori! Fokus: Hvorfor opfattes Standardmodellen som smuk? Hvordan kan vi bruge skønhed som rettesnor for ny fysik? Vi skal huske virkeligheden!...men I får sikkert rig lejlighed til at høre om eksperimentelle detaljer i nogle af de andre fordrag. 4

Hvad er en teori overhovedet? En teori skal kunne give (entydige) forudsigelser af et eksperiment. Vi beskæftiger os med én bestemt type eksperiment: Hvor mange partikler af en bestemt type rammer et bestemt sted, med en bestemt hastighed? (en anden mulighed er at måle henfaldstider) Så kan vi regne tilbage til fysikken i kollisionen. 5

Lagrangefunktionen Teorien kan (med en masse matematik) skrives som én enkelt matematisk ligning: Lagrangefunktionen (Joseph-Louis Lagrange (1736-1813)) er en funktion af alle partikler, og beskriver deres interaktioner! En teori med kun én elektronlignende partikel ville se sådan ud: 6

Symmetrier Takket være Noethers sætning (Emmy Noether (1882-1935)) kan vi beskrive interaktionernes dynamik vha. symmetrier! Symmetrier har en helt særlig status i fysik. Et objekt er symmetrisk under en operation hvis man kan foretage operationen og ikke se forskel på 'før' og 'efter'. Symmetrier giver smukke teorier! Og nu skal I lave noget. 7

Er disse figurer symmetriske? Hvordan? 8

Hvad med disse? 9

Symmetrier II En Lagrangefunktion kan også have symmetrier. Her gør vi noget ved de felter partiklerne bor i, og ser om Lagrangefunktionen er éns før og efter. Et felt er noget (tal eller andet) der har en værdi alle steder i rummet Lars fortalte sidst om elektromagnetisme og Maxwells ligninger To muligheder: Observere at en symmetri eksisterer. Tvinge en symmetri igennem. 10

Et elektronfelt! 11

En global symmetri... Lagrangefunktionen er symmetrisk under denne særlige operation! 12

En lokal symmetri... Lagrangefunktionen er ikke symmetrisk under denne operation! Men vi kan matematisk tvinge det igennem! 13

Lokal gaugesymmetri Tving Lagrangefunktionen til lokal gaugesymmetri Ud kommer en ny partikel! Husk (før): Nu: Og sammen med den: Maxwells ligninger! Den nye partikel er intet andet end fotonen, og den er strengt masseløs. Maxwells ligninger med fotonen er de eneste ligninger der kan skrives for fotonen hvis lokal gaugesymmetri skal overholdes! 14

I en nøddeskal... Masse-partikler (elektroner) Lokal gaugeinvarians Masse-partikler + Kraftbærerpartikler (elektroner + fotoner) 15

Fantastisk trick! Kan man mon bruge det på de andre naturkræfter? Elektromagnetiske tjek! Stærk kernekraft tjek! Massepartikler: kvarker, Kraftbærere: gluoner (masseløse) Svag kernekraft Problem! Kraftbærere: W(+/-) og Z er ikke masseløse! 16

Higgs Lad os snyde gaugesymmetri! Læg et felt til hvor symmetrien brydes spontant... 17

Higgs II (+) Vi løser problemet med W -og Z-masser. (-) Vi får et nyt felt, med nye parametre der skal måles. Vi får en stærk forudsigelse: Higgs-bosonen! Derfor var der fest d. 4. juli 2012 Problemet med gaugeteori var løst! Vores smukke teori havde en mangel. Den blev løst med en Higgs. Eksperimentet viste at Higgsen var en god løsning. I næste time: Denne model følges når man forsøger at finde på ny fysik. 18

Opsummering Vi kan beskrive fysiske love med en Lagrangefunktion. Vi kan teste Lagrangefunktionen i kollisionseksperimenter. Vi kan beskrive fysiske interaktioner vha. symmetrier. Standardmodellen er smuk fordi den er bygget på lokal gaugesymmetri. Higgsmekanismen bryder gaugesymmetrien spontant, og giver masse til W og Z. Slut på første halvdel. 19

Fysik efter Standardmodellen Hvad må vi kræve af nye teorier? Hvad er Standardmodellens problemer? Hvordan får vi idéer til nye teorier? Krydret med eksempler på nye teorier... 20

Krav til nye teorier Vigtigt at huske kollisionseksperimentet! Kan den nye teori forklare gamle resultater? Kan den nye teori give forudsigelser af nye resultater? Hvis ikke, er det svært at betragte det som en fysisk teori! Når noget anklages for at være 'uvidenskabeligt', er det ofte dette der henvises til. 21

Standardmodellens problemer Flere indikatorer på at der må være noget mere: Tyngdekraft er ikke i Standardmodellen. Stof/antistof symmetri ved Big Bang. Mørk energi/stof. I øvrigt: Hierakiproblemet Er Standarmodellens 'numerologi' tilfældig? (kvarkladninger, antal generationer, antal parametre...) Findes der nye, 'større', symmetrier? 22

Supersymmetri Supersymmetri (SUSY) adresserer mørkt stof -og hierakiproblemet. Hvorfor er tyngdekraften så svag? Higgspartiklens masse får korrektioner fra alle andre partikler i Standardmodellen. Denne korrektion er (potentielt) enorm! Så hvorfor er Higgs' masse ikke større? Kan vi indføre en ny symmetri til at løse dette problem? 23

Supersymmetri II En superpartner til alle partikler vil løse hierakiproblemet Det vil også give en god kandidat til mørkt stof! Problem: Vi har ikke set de nye partikler! 24

Søgen efter SUSY SUSY er en smuk teori! SUSY leverer forudsigelser! SUSY løser problemer! Desværre ser SUSY ikke ud til at passe. Når den nemmeste udgave af teorien ikke passer kan man moderere den lidt. Hvis man tillader at moderere alt i en teori, hvad sker der så med forudsigelserne? 25

GUT Store, forenede teorier En type teori af lidt ældre dato er Grand Unified Theories (GUT): Store, forenede teorier. Selvom de (nok...) ikke passer, er de gode at blive klog af! Motivation: Hvad hvis der findes andre, 'større' symmetrier som Standardmodellen er en del af. Tænk tilbage på gaugesymmetri. Den lokale variant inkluderer den globale! 27

Forening af teorier Kræfter kan forenes ved høje energier! Vi ved det er sandt for den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft. 28

Protoners levetid GUTs var meget populære i 70'erne og 80'erne. De leverer en konkret forudsigelse: Protoner er ustabile! Lang henfaldstid (men målt ca. 10e34 s. Universets levetid er ca. 10e17 s..) Måles ved at samle mange protoner ét sted. Repræsenterer 'det andet' eksperiment. Super-K i Japan med 50.000 tons vand (se næste slide for billede). 29

Strengteori Et forsøg på at lave en teori for alting! 31

Strengteori II Idéen er for så vidt simpel nok... Vi har svært ved at forstå at elektroner bare er et 'punkt'. Hvad nu hvis det var en vibrerende streng? Tyngdekraft ser ud til at kunne indkluderes. Man håber på at få ting som kvarkladninger, partikelmasser, antallet af partikler osv. gratis......indtil videre har man mest bare fået problemer! 32

Kontroverser om strengteori Strengteori er ikke kommet med en eneste konkret forudsigelse. Man har stadig store problemer med at forklare den nuværende fysik med strengteori. Meget smuk matematik er dog kommet ud af anstrengelserne. Er mange dimensioner en dyd eller et problem? Populære fremstillinger er ofte uklare og ukonkrete. Jeg har givet to bud (Kaku vs. Woit) i litteraturlisten. 33

Opsummering Standarmodellen har visse problemer med at forklare alt. Nogle af disse problemer kan løses i teorier for ny fysik. Eksempler er: Supersymmetri, Store forenede teorier og Strengteori. Alle de nye teorier kommer med styrker og svagheder, vi har ikke noget 'bedste bud'. En helt anden mulighed er at vi står overfor 'afslutningen' af teoretisk fysik! Slut på anden del. 34

Litteratur Emnerne i denne forelæsning er behandlet i store mængder (engelsksproget) litteratur. Noget er på niveau med denne forelæsning, noget er lidt mere abstrakt/krævende andet er deciderede lærebøger med masser af matematik. Jeg fremhæver her en bunke som jeg finder rigtig godt. Videomateriale på nettet. Der findes rigtig meget, rigtig godt. Her er et lille udpluk: Brian Cox om LHC http://youtu.be/_6ukzwnjlcm Richard Feynman forelæsning om problemer ved Standardmodellen http://youtu.be/8wavtbqdceo Sommerkursus online, bemærk særligt forelæsningen 'Symmetry' af A. Zee http://www.asti.ac.za/lectures.php Skønlitteratur: G. Gamow (1940): Mr. Tompkins in Wonderland, en klassiker om værdierne af de fysiske konstanter 35

Populærvidenskabelige bøger: Steven Weinberg: The first Three Minutes..., en lille smule uden for emnet, men god til forening af teorier, og rigtig godt skrevet! Michio Kaku: Hyperspace, en bog om strengteori af en af dens opfindere. Peter Woit: Not even wrong, kritisk (og stærkt underholdende!) bog om strengteori af en arg kritiker! Richard Feynman: QED: The Strange Theory of Light and Matter, om teorien for elektroner og dens sammenhæng med kvantemekanik med fokus på kvantemekanik. Blogs: To blogs jeg selv læser er rigtig gode til at komme med nyheder (også litteratur), diskutere kontemporære emner, og give solide, velbegrundede forklaringer af eksperimentelle resultater: Peter Woit: http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/ Tomasso Dorigo: http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor Lærebøger: Martin & Shaw: Particle Physics, berører de samme emner som i dag, bare med udregninger til. Gordon Kane: Modern Elementary Particle Physics, har fokus på Lagrangefunktion og symmetrier. Er lidt gammeldags i sit sprogbrug, men mere koncis end Martin og Shaw. 36