podróż do początków wszechświata: czyli czym zajmujemy się...

29
Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN mgr inż. Małgorzata Janik - [email protected] mgr inż. Łukasz Graczykowski - [email protected] Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Upload: others

Post on 16-Apr-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w

laboratorium CERNmgr inż. Małgorzata Janik - [email protected]

mgr inż. Łukasz Graczykowski - [email protected]

Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Page 2: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZMałgorzata Janik 12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZMałgorzata Janik

Page 3: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

10/09/2012, WPCF '12 Małgorzata Janik – Warsaw University of Technology

Teleskop Kosmiczny Hubble'a

Mgławica OrzełFilary stworzenia

Page 4: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

10/09/2012, WPCF '12 Małgorzata Janik – Warsaw University of Technology

Teleskop Kosmiczny Hubble'aObraz Głębokiego Kosmosu

Jak sięgnąć do początków?

Page 5: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZMałgorzata Janik

Granica poznania: promieniowanie tła

Planck (03.2013)

T = 2.725 K

WMAP / Planck – 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu

?Ale co było wcześniej?Jak to sprawdzić?

Page 6: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

RO

ZM

IAR

, KO

MP

LIK

AC

JA

TE

MP

ER

AT

UR

A, G

ĘS

TO

ŚĆ

Model Wielkiego Wybuchu

Page 7: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Jak zbadać coś czego nie możemy zobaczyć?

Zacznijmy od podstaw...

Page 8: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m

Kwarki i gluony

Kwarki są ściśle powiązane, poprzez gluony – tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony

Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku

masa

cząstki elementarne

kwarki

leptony

proton neutron

Cała otaczająca nas materia i my sami jesteśmy zbudowani tylko z tego... nośniki

oddziaływań

Page 9: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m

Kwarki i gluony

Kwarki są ściśle powiązane, poprzez gluony – tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony

Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku

Page 10: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Czy można uwolnić kwarki?

Para kwark-antykwark (mezon)

Próbujemy je rozdzielić (dodajemy energię)

E=mc2!

Dostajemy dwa mezony

Page 11: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Ale... czy historia Wszechświata i zaglądanie coraz głębiej w strukturę materii nie wydają się

w zasadzie podobne?

Zróbmy zatem porównanie...

Page 12: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

10 –6 s 10 –4 s 3 min 13*109 lat

Kwarkii gluony Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj

WielkiWybuch

Problem: wspomnieliśmy, że nie zaobserwowano obecnie wolnego kwarku i nie można go otrzymać...

Pytanie: Czy potrzebujemy izolować pojedynczy kwark? Może lepiej uwolnić wszystkie na raz! Czy to możliwe?

Wszechświat

Budowa materii

Page 13: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Materiahadronowa:kwarkiuwięzione w protonach i neutronach

Materiakwarkowa: w jej objętości kwarki są swobodne!

?

Jak uwolnić kwarki?

Taka materia kwarkowa (plazma kwarkowo-gluonowa) to praktycznie taki sam stan materii jak na początku Wszechświata, a przecież to właśnie chcemy zbadać!

Ale... jak ją wytworzyć?

Page 14: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Podgrzewanie

PodgrzewanieŚciskanie

Ściskanie

W teorii można...

...należy „tylko” zwiększyć gęstość energii układu (ścisnąć lub podgrzać), ale jak to zrobić w praktyce?

Page 15: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

LHCLHCCERN/MeyrinCERN/Meyrin

Jezioro GenewskieJezioro Genewskie

Alpy/Masyw Mont BlancAlpy/Masyw Mont Blanc

GenewaGenewa

Page 16: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się
Page 17: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Przebieg reakcji w czasie i przestrzeni

Plazma kwarkowo-gluonowa

Zderzamy dwa jądra

Kwarki łączą się w cząstki

Page 18: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Diagram fazowy plazmy

Diagram fazowy wodyTemperatura krytyczna, poniżej której następuje przejście fazowe.

Poniżej pewnej temperatury kwarki łączą się w protony, neutrony i inne cząstki.

Page 19: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Tu jest obszar naszych zainteresowań

Page 20: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

1. Jak formował się wczesny Wszechświat?

2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest „plazma kwarkowo-gluonowa”?)

3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie – jakie są?

4. Czy istnieje bozon Higgsa?

5. Gdzie się podziała antymateria?

6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? („ciemna materia i „ciemna energia”)

7. Czy istnieją „skryte” wymiary przestrzeni?

8. Czy istnieją cząstki „supersymetryczne”?

9. Wiele innych...

Czego nie wiemy?

Page 21: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

KONIEC CZĘŚCI IKONIEC CZĘŚCI I

CIĄG DALSZY NASTĄPI...CIĄG DALSZY NASTĄPI...

Zawsze chętnie odpowiemy na pytania:Zawsze chętnie odpowiemy na pytania:

[email protected]@cern.ch

[email protected]@cern.ch

Page 22: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się
Page 23: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

1. Jak formował się wczesny Wszechświat?

2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest „plazma kwarkowo-gluonowa”?)

3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie – jakie są?

4. Czy istnieje bozon Higgsa?

5. Gdzie się podziała antymateria?

6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? („ciemna materia i „ciemna energia”)

7. Czy istnieją „skryte” wymiary przestrzeni?

8. Czy istnieją cząstki „supersymetryczne”?

9. Wiele innych...

Czego nie wiemy?

Page 24: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Na początku Wszechświat był zbudowany w równych proporcjach z materii i antymaterii. Gdyby podczas ewolucji Wszechświata materia i antymateria były swoim lustrzanym odbiciem unicestwiłyby się całkowicie, zostawiając jedynie energię. Dlaczego jednak część materii pozostała, tworząc galaktyki, Układ Słoneczny, naszą planetę i nas? LHC będzie badać, skąd bierze się ta niewielka różnica, jaka istnieje między materią i antymaterią.

Kolejny problem, to materia i antymateria. Zrozumieć go próbuje eksperyment LHCb.

Page 25: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

1. Jak formował się wczesny Wszechświat?

2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest „plazma kwarkowo-gluonowa”?)

3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie – jakie są?

4. Czy istnieje bozon Higgsa?

5. Gdzie się podziała antymateria?

6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? („ciemna materia i „ciemna energia”)

7. Czy istnieją „skryte” wymiary przestrzeni?

8. Czy istnieją cząstki „supersymetryczne”?

9. Wiele innych...

Czego nie wiemy?

Page 26: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Astronomowie od dawna obserwują ruchy gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki. Prawa fizyki można „uratować” jeśli założymy, że we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość materii innej niż ta, którą znamy – materii niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze światłem, a więc ciemnej. Dzięki poszukiwaniom w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo oddziałujących ze zwykłą materią, być może będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania tej zagadki.Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną coraz większą prędkość rozszerzania się Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.

Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei również eksperymenty ATLAS i CMS.

Page 27: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Granica poznania: promieniowanie tła

Planck

1978 – Nagroda Nobla (Penzias, Wilson)

Page 28: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Jaki jest przepis na przyrodę?

masa

Fermiony(budulec materii)

Bozony(nośniki oddziaływań)

kwarki

leptony

Przyroda na najniższym poziomie opisywana jest tzw. Modelem Standardowym (SM): Cząstki elementarne – cegiełki budujące materię (fermiony i bozony) Trzy oddziaływania (z czterech) opisujące dynamikę cząstek elementarnych (słabe, silne oraz elektromagnetyczne)

Model Standardowy nie zawiera w sobie grawitacji opisanej przez Ogólną Teorię Względności Alberta Einsteina.

Po potwierdzeniu odkrycia bozonu Higgsa w 2013 r. (o tym później) SM nazywany jest „teorią prawie wszystkiego (theory of almost everything)”.

Page 29: Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się ...if.pw.edu.pl/~majanik/AlirootTutorial/data/... · Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się

Model Wielkiego Wybuchu

WMAP / Planck

Jądra atomowe

Protony i neutrony

Plazma kwarkowo-gluonowa

Powstają cząstki elementarne

Inflacja

? (Kwantowa grawitacja)