Γούναρης ΕΕΦ Λαµία 2006 1users.auth.gr/~gounaris/omilies/lamia2006.pdf ·...

Γ.Ι. Γούναρης ΕΕΦ-Λαµία 2006 1

ΗΦυσική του µικροκόσµου και του Σύµπαντος

Γ.Ι. Γούναρης, Α.Π.Θ.

Περίληψη


1. Η Φυσική στις αρχές του 20 αιώνα.

2. Ο µικρόκοσµος: Η δοµή και οι συµµετρίες των στοιχειωδών σωµατιδίων και των µεταξύ των δυνάµεων τύπου Maxwell. Το όνειρο της ενοποίησης... Η πίστη στις συµµετρίες ... Η συνεχής επανεµφάνιση του 3 ... Οι µεγάλοι επιταχυντές…

3. H µάζα των σωµατίων: Ο µηχανισµός Higgs. Το βαθµωτό πεδίο κατακλύζει το σηµερινό Σύµπαν. Τα σωµάτια Higgs.

4. Νετρίνο και οι ταλαντώσεις τους… Μια καινούργια αστρονοµία...

5. Βαρύτης: η πιο άγνωστη δύναµη... Συγκρατεί τους γαλαξίες καιδρα και σαν φακός… Μαζί µε τις δυνάµεις Maxwell, καθορίζει τον µακρόκοσµο: τ’ άστρα, τις µελανές οπές, τον χωροχρόνο, …

6. Η βασική σύσταση του Σύµπαντος. Η Σκοτεινή Ύλη. Η Σκοτεινή Ενέργεια. Κι άλλα βαθµωτά πεδία...

7. Η Υπερσυµµετρία.

8. Επίλογος

Αρχές του 20ου αιώνα

Είχαν κατανοηθεί οι περιοδικές τροχιές των ουρανίων σωµάτων… και είχαν υπερεκτιµηθεί οι δυνατότητες της Κλασσικής Φυσικής (ΚλΦ)… Επικρατούσε ένα πνεύµα ευφορίας...

Ο Ήλιος ήταν κοντά στο κέντρο του Γαλαξία µας. Θα έπρεπε να καίει κάτι σαν κάρβουνο...Η ύπαρξη άλλων γαλαξιών ήταν άγνωστη.

Ήταν µετά τα µέσα του 20ου αιώνα, όταν διαπιστώθηκε ότι στα πλαίσια της ΚλΦ δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε χηµεία, ούτε ζωή, ούτε αστέρια....

‘Ότι οι δοµές των σωµάτων, δεν κατανοούνται χωρίς την Αρχή της Απροσδιοριστίας και την Κβαντική Μηχανική.

Και το Σύµπαν που το νοµίζαµε αιώνιο, βρέθηκε να αυτοδιαλύεται επιταχυνόµενα....


Εκατοµµύριαατόµων σ’ ένα DNA µόριο

Από τα µεγάλα στα µικρά...1m

910 m−



Τα συστατικά της ύλης

Άτοµο και ο πυρήνας του He

Αν mp>mn+meή αν ħ=0, δεν θα υπήρχαν άτοµα, ούτε ζωή.


Βαρύτης: κβάντουµ βαρυτόνιο σπιν=2, m=0

Higgs: κβάντα Higgs σπιν=0 , m >114 GeV

U(1)xSU(2) xSU(3): τα βασικά στοιχεία της ύλης κατά τριάδες

Οι δυνάµεις: µποζόνια µε σπιν=1, 2, 0

Ύλη και δυνάµεις συµπεριφέρονται σαν σωµατίδια

en p e ν−→

Όταν κοιτάµε τα q µε υψηλή διακριτική ικανότητα, τότε κάθε q έχει µέσα του, εκτός από τον εαυτό του, και µια απειρία από

Τα p και n µέσα στους πυρήνες, διατηρούν την αυθυπαρξία τους και δεν συνθλίβονται σ’ ένα σύνολο από κουάρκ! Γιατί;

∆έσµιες καταστάσεις:τα πρωτόνια και νετρόνιααποτελούνται από 3 κουάρκ. Τα µεσόνια (Όταν τα κοιτάµε µε µικρή διακριτική ικανότητα)

, ,q q gqq



U(1)xSU(2) xSU(3): : Η ισχύς των τριών δυνάµεων Maxwell

Υπερσυµµετρία: Ίσως κάποτε οι 3 να αποτελούσαν µία δύναµη ... αν η υπερσυµµετρία υπάρχει πραγµατικά. Το όνειρο της ενοποίησης... Η βαρύτης είναι εντελώς διαφορετική από τις άλλες δυνάµεις.

Τα στοιχειώδη σωµάτια και οι µεταξύ τους δυνάµεις µελετώνται κυρίως µε τους επιταχυντές... Η βαρύτης, συνήθως αµελητέα στην φυσική των στοιχειωδών σωµατιδίων ...


LHC

Περίµετρος: 27 χιλµ

Μηχανισµός Higgs: Η µάζα που χαρακτηρίζει το κάθε σωµάτιο εξαρτάται και από το περιβάλλον του. Το «κενό» µέσα στο οποίο ζει…

Το περιβάλλον µπορεί να περιέχει σωµάτια (πραγµατικά ή δυνάµει), ή απλώς πεδία, που συγκεντρώνονται γύρω από οποιοδήποτε δεδοµένο σωµάτιο, µεταβάλλοντας τις ιδιότητες κινήσεως του. Έτσι µπορεί να αυξήσει την αντίσταση στη κίνησή κάποιου σωµατιδίου, και να του δώσει µάζα. Μέσα σε ένα υλικό π.χ. µε δείκτη διαθλάσεως n, το φωτόνιο θα µπορούσε να πάρει µάζα

Το πεδίο Higgs µοιάζει µε ρευστό. Η µη µηδενική τιµή του δίδει στα σωµατίδια µάζα ….

Και όπως κάθε πεδίο δίδει στο «κενό» πυκνότητα ενεργείας και πίεση. Η Κβ. Μηχ. προσθέτει σ’ αυτά «άπειρες» συνεισφορές… (κάτι µας λείπει) …

1m nγ −∼ Τα πεδία µοιάζουν µε ρευστά



Higgs

0 2500

kT eVm

Gκενφ ≠ →≠

( )222 4( )V κεν κενφ φ φ φ⎡ − ⎥− ⎤⎢⎣ ⎦∼

0 2500

kT eVm

Gκενφ →==

Το µη-µηδενικό πεδίο Higgsστο «κενό», είναι το περιβάλλον που δηµιουργεί τις µάζες των σωµατιδίων.Τα γ, g, G, ... παραµένουν όµως χωρίς µάζα. ∆εν ήταν έτσι στη Αρχή ...

Imf=0

Reφ

Reφ

ImφIm 0φ =

( )V φ

Στην αρχή της ∆ηµιουργίας, οι ιδιότητες του χώρου ήταν τέτοιες, ώστε όλα τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα W και Z είχαν µηδενική µάζα...

Στο SM αναµένουµε130 250GeVHm<

• Το σηµερινό βαθµωτό πεδίο Higgs κατακλύζει το αισθητό Σύµπαν. Η τιµή του στον κενό χώρο καθορίζει το σηµερινό «περιβάλλον» και τις σηµερινές µάζες των σωµατιδίων.

•Μπορεί να υπάρχουν περισσότερα τέτοια πεδία Higgs. Κανείς δεν ξέρει…

• Το φαινόµενο του πληθωρισµού στην αρχή, και της επιταχυνοµένης διαστολής σήµερα, (αλληλένδετης µε την Σκοτεινή Ενέργεια), ίσως οφείλονται επίσης σε βαθµωτά πεδία. Θα επανέλθω σ’ αυτό…

• Τέτοια βαθµωτά πεδία πρέπει να υπάρχουν. ∆εν µπορέσαµε να φαντασθούµε τίποτε άλλο.

•Αναπόφευκτη συνέπεια της Κβαντικής Μηχανικής είναι ότι οι κυµατικές ταλαντώσεις των πεδίων στον χώρο και χρόνο θα εµφανίζονται σαν σωµατίδια. Σαν τα σωµατίδια Higgs π.χ.…. ∆εν έχουµε δει κανένα ως τώρα…


M. Spira et al.Πιθανοί τρόποι παραγωγής του SM σωµατιδίου Higgs στο LHC

NLO Cross sections gg σύντηξη

WW, ZZ σύντηξη



Ποσοστά δυνατών διασπάσεων του SM Higgs

, ,ee

µ τν ν νµ τ− − −

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Οι 3 νετρίνο καθορισµένης χροιάς

Νετρίνο: Σχετικιστικά, κβαντικά και ουδέτερα. Οι συνήθεις αστέρες είναι σχεδόν διαφανείς στο πέρασµά τους. Η µεγάλη τους εµβέλεια και η µη-εκτροπή τους κατά την διαδροµή,παρέχουν πληροφορίες για την Γη, τον Ήλιο, τους γαλαξίες, το Σύµπαν ολόκληρο…


Τα 3 νετρίνο καθορισµένης µάζης

2 2 2 2 2 212 2 1 13 3 1 23 3 2 13 120 , ,m m m m m m∆ ≡ − > ∆ ≡ − ∆ ≡ − = ∆ −∆

012

023

013

32.6 ,

45 ,

14

θ

θ

θ <


Νετρίνο: ταλαντώσεις και πηγές)

e((

, p) x jj ji p x Et

x tν ν− −⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠

∼

• Οι εντάσεις των πεδίων νετρίνο καθορισµένης µάζας παραµένουν ανεξάρτητες των (x,t): ∆εν ταλαντώνονται.

• Τα νετρίνο καθορισµένης χροιάςείναι «µείγµατα» νετρίνο καθορισµένης µάζης.

• Η ένταση ενός πεδίου νετρίνο που γεννήθηκε µε καθορισµένη χροιάκαι ταξιδεύει, ταλαντώνεται ανάµεσα στις 3 δυνατές χροιές του.

• Τα νετρίνο παράγονται και ανιχνεύονται κατά την χροιά τους, αλλά ταξιδεύουν κατά τη µάζα τους.

Επίγειες και αστρικές πηγές νετρίνο



ν-Τηλεσκόπιο NESTOR

NESTOR

Η καταβύθιση ενός αστερία


Τα κοσµολογικά όρια των µαζών των νετρίνο είναι συνήθως ισχυρότερα των εκ των επιγείων πειραµάτων !

Και τα κοσµολογικά όρια για τον δυνατόν αριθµό των νετρίνο Νeff είναι επίσης εντυπωσιακά !


Η βαρύτης καθορίζει τις τροχιές. ∆ρα και ως φακός, επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ αποµακρυσµένων γαλαξιών

Ιδεωδώς δηµιουργείται πλήρης δακτύλιοςEinstein

Συνήθως τα είδωλα είναι πολλαπλά και παραµορφωµένα

2

2

4

2

N

g

G mN r

G m

c

c

για

ξ

ξ

α ≈

=

ξ= παράµετρος κρούσης της φωτο-τροχιάς από τον «φακό».

Είδωλα βαρυτικής οπτικής

Το βαρυτικό πεδίο ενός σµήνους γαλαξιών στο κέντρο δρα σαν «βαρυτικός φακός» σχηµατίζοντας εντόνως παραµορφωµένα είδωλα µακρινών γαλαξιών που βρίσκονται πίσω του.

Η µορφή των ειδώλων επιτρέπει τον υπολογισµό της µάζας του «βαρυτικού φακού» και την κατανοµή της.

Ένα αστέρι πίσω απ’ τον Ήλιο

Μια εντυπωσιακή επιτυχία της ΓΣ



1Ε 0657-56 Bullet cluster µε οπτικό τηλεσκόπιο σε απόσταση D=3.5 x 109 έτη φωτός.Χιλιάδες γαλαξίες και βαρυτικά είδωλα πιο µακρινών γαλαξιών (Αυγ. 2006)

Έναςγαλαξίας σαν τον δικό µας


Οπτικό: Χιλιάδες γαλαξίες

Ατιν. Χ: Θερµά αέρια T~108 K

Σκωτ. Ύλη : βαρυτικά είδωλα

1Ε 0657-56 Bullet cluster: Τα κέντρα µάζης της συνήθους και σκοτεινής ύλης δεν συµπίπτουν

Ένας γαλαξίας σαν τον δικό µας

1Ε 0657-56 , Bullet cluster

Απόσταση: 3.5 x 109 έτη φωτός.

Συνολικό παρατηρούµενο µέγεθος ~ 3 x 106 έτη φωτός

Η σύγκρουση έγινε 150 x 106 χρόνια προηγουµένως

∆εξιά θερµή αέρια µάζα (κόκκινο) : 70 x 106 Κ

Αριστερή θερµή αέρια µάζα (κόκκινο): 100 x 106 Κ

Η ταχύτης µε την οποίαν συγκρούονται τα δύο σµήνη υπολογίζεται σε4500 km/s.

Για πρώτη φορά παρατηρήθηκε περιοχή του Σύµπαντος όπου η Σκοτεινή ύλη είναι χωρισµένη από την Συνήθη. Τα κέντρα µάζης της συνήθους και σκοτεινής ύλης δεν συµπίπτουν στην περίπτωση αυτή. Είναι συνεπώς αδύνατον να κατανοήσουµε την βαρυτική της ευστάθεια, αλλάζοντας απλώς την Νευτώνεια δυναµική σε µεγάλες αποστάσεις.

Η ύπαρξη ΣΥ είναι αναπόφευκτη.



Μελανές οπές: τυλιγµένες µέσα στους ορίζοντές τους αποτελούν αναπόφευκτο επακόλουθο της Γενικής Σχετικότητος.Οι µελανές οπές στο Σύµπαν... υπεύθυνες για πολλά βαρυτικά είδωλα

Ορίζοντας της µελανής οπής

κώνος φωτός

x

y

ct

2 2 2 2

22 2 0

ds c dt dr

drdt cdt

= −

⎡ ⎤⎛ ⎞= − ≥⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

2

2 Ng

mGrc

=

Κλασσικές µελανές οπές: καταβροχθίζουν οτιδήποτε πέφτει επάνω στην επιφάνειά τους. ∆εν έχουν σύσταση. Έχουν όµως µάζα, ηλεκτρικό φορτίο, στροφορµή, θερµοκρασία T, εντροπία S… Το ισχυρό πεδίο βαρύτητος γύρω από την µελανή οπή µπορεί να προκαλέσει κρίσιµες πυκνότητες αερίων, από τις οποίες να ξεκινήσουν καινούργιοι αστέρεςΟι κβαντικοί νόµοι τις επιτρέπουν να ακτινοβολούν αχνά … Αν είναι πολύ µικρές, ενδεχοµένως και να εξατµίζονται… και να αποδίδουν την πληροφορία που κατεβρόχθισαν.


2 3

6

32

10

1 1, ,4

N

gN

N

g

g

c m MG

AcS A r TG r

r

G m

λ

τ

< <

=

∼

∼

∼

∼ ∼

∼

χρόνος ηµιζωής

µήκος κύµατοςακτινοβολίας.

WMAP: Το νεογέννητο Σύµπαν... µέσα στο αρχαιότερο Φως! Μόλις 350000 ετών ! Σύµπαν περιέχει κυρίως Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια! Ελάχιστη γνωστή ύλη. (NASA 16 Μαρ. 2006)


Οι συχνότητες του φωτός αυτού έχουν κατανοµή µέλανος σώµατος. Η ένταση του καθορίζεται από την θερµοκρασία του ... Λευκές γραµµές παριστούν πόλωση. Η θερµοκρασία ελαττώνεται κατά την φορά: κόκκινο, κίτρινο, πράσινο, µπλε, µαύρο

Η σκοτεινή ύλη και ενέργεια

1eVj

jmν

Τι είναι η Σκοτεινή Ενέργεια (ΣΕ) ή Ενέργεια του Κενού;

Εκτεταµένα πραγµατικά βαθµωτά πεδία j , εξαρτώµενα µόνον από τον χρόνο,

δηµιουργούν πυκνότητα ενεργείας

και πίεση

Οι WMAP παρατηρήσεις προτείνουν VàT º0 . Η κινητική ενέργεια είναι δηλαδή αµελητέα και η πίεση εντόνως αρνητική. Και, σύµφωνα µε την Γενική Σχετικότητα, η διαστολή είναι τότε επιταχυνόµενη και η βαρύτηςµοιάζει να αποκτά µια απωστική συνιστώσα..

Υπάρχουν τέτοια πεδία; Αν ΝΑΙ, θα µπορούσαν να περιγράψουν τον πληθωρισµό στην αρχή της ∆ηµιουργίας και την επιταχυνόµενη αυτοδιάλυσητου σήµερα.

Την ΣΕ την έχουµε δει. ‘Όµως κβαντικές διεγέρσεις των ανωτέρω πεδίων υπό την µορφή στοιχειωδών σωµατιδίων, δεν έχουµε δει!

2

2

( )2

( )2

V T V

p V T V

ϕε ϕ

ϕ ϕ

= + = +

= − = −



Ψυχρή Σκοτεινή Ύλη

Η ψυχρή Σκοτεινή ύλη δεν κινείται έντονα. Συγκρατείται από την βαρύτητα και ενισχύει τις συµπυκνώσεις της συνήθους ύλης και την γέννηση γαλαξιών.

(Murayama)


Αν είχαµε σηµαντική συνεισφορά από θερµή ΣΥ (νετρίνα) που δεν συγκρατούνται από την βαρύτητα, τότε οι συµπυκνώσεις θα εξαλείφοντο και γαλαξίες δεν θα µπορούσαν να γεννηθούν.

Η θερµή ΣΥ πρέπει να είναι ελάχιστη.

(Murayama)

Η Υπερσυµµετρία διαθέτει ψυχρή Σκοτεινή Ύλη

Υπερσυµµετρία: Ο χώρος, ο χρόνος και η ύλη δηµιουργήθηκαν µαζί.Και όλα µαζί αποτελούν συνιστώσες της αυτής οντότητος. Η Υπερσυµµετρία είναι µια γενίκευση των συµµετριών του χωροχρόνου.

•Εξασφαλίζει την ενοποίηση των τριών δυνάµεων µεταξύ τους, και ίσως και µε τη βαρύτητα.

•Ίσχυσε τα πρώτα , όταν όλες οι δυνάµεις ήταν µία...

•Απαλύνει τις δυνάµεις στις µικρές αποστάσεις.

•Παρέχει υποψηφίους για την ψυχρή ΣΎ: νιουτραλίνο, αξιόνια, αξίνο, βαρυτόνια...

4310 sec−


Μια εικόνα των µαζών των προβλεποµένων από την Υπερσυµµετρία νέων σωµατιδίων.

Το νιουτραλίνοθα µπορούσε να αποτελεί την κυρία συνιστώσα της ψυχρής Σκοτεινής Ύλης.

01χ

Για τέτοιες µάζες, το LHC αναµένεται να παράγει πάρα πολλά γλουίνο και σκουαρκς. Μέσα στον πρώτο χρόνο θα ξέρουµε... Τότε ίσως καταφέρουµε να µελετήσουµε την ΣΥ σε γήινα πειράµατα

0 0... ,

( , ) 1, 2,3,4i jpp

i j

χ χ→

=


Από αερόστατο µεγάλου ύψους

HEAT (High Energy Antimatter Telescope): Αγνώστου αιτιολογίας ακτινοβολία e+ από το κέντρο του Γαλαξία µας


01

0 01 1 ... ,

8

108GeVe

E GeeV

mχ

χ χ

+

+

≈

→∼

Ασφαλέστερο αν ξέραµε τα νιουτραλίνο από επίγεια πειράµατα, και τα χρησιµοποιούσαµε για την κατανόηση της καταστάσεως κοντά στο γαλακτικό κέντρο...

AGNPulsar

GRB

SNR

Radio Galaxy

EGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ∆ιάστηµα

Η πλεονάζουσα ακτινοβολία γ από το κέντρο του Γαλαξία, µε Εγ>10 GeV, ίσως προέρχεται από ΣΥ.

100 MeV 10 GeV

01

50 < m 175GeVχ

ΕπίλογοςΕπίλογος

•Για να κατανοήσουµε την σκοτεινή ενέργεια, τον αναπόφευκτο πληθωρισµό, την ύπαρξη µάζης, πρέπει το Σύµπαν να κατακλύζεται από βαθµωτά πεδία. Αλλά αντίστοιχα σωµάτια δεν έχουµε δει...

•Η ΣΕ δρα σαν «απωστική βαρύτητα» και επιταχύνει την διαστολή τουΣύµπαντος. Βρίσκεται ακριβώς στα όρια. Αν ήταν µεγαλύτερη, δεν θα υπήρχαν αστέρια... Και αν οι εντάσεις των τεσσάρων δυνάµεων ξέφευγαν από τις τιµές τους, το Σύµπαν επίσης θα νεκρωνόταν ... Το Σύµπαν είναι γεµάτο συµπτώσεις που του εξασφαλίζουν την Ζωή.

•Υπάρχει µια ανεξήγητη επανάληψη του 3, στις γεωµετρικές διαστάσεις, στις φυσικές διαστάσεις, στις οικογένειες των στοιχειωδών σωµατιδίων, στη µαθηµατική δοµή των τριών δυνάµεων τύπου Maxwell ...

•Όλα αυτά κάτι θέλουν να µας πουν… Ίσως πολύ πιο όµορφο από την επιστήµη.


ΠερίληψηΑρχές του 20ου αιώναΑπό τα μεγάλα στα μικρά...Τα συστατικά της ύληςU(1)xSU(2) xSU(3): τα βασικά στοιχεία της ύλης κατά τριάδεςU(1)xSU(2) xSU(3): : Η ισχύς των τριών δυνάμεων MaxwellΤα στοιχειώδη σωμάτια και οι μεταξύ τους δυνάμεις μελετώνται κυρίως με τους επιταχυντές... Η βαρύτης, συνήθως αμελητέα στηΜηχανισμός Higgs: Η μάζα που χαρακτηρίζει το κάθε σωμάτιο εξαρτάται και από το περιβάλλον του. Το «κενό» μέσα στο οποίο ζει…HiggsΠιθανοί τρόποι παραγωγής του SM σωματιδίου Higgs στο LHCΟι 3 νετρίνο καθορισμένης χροιάςΤα 3 νετρίνο καθορισμένης μάζηςΝετρίνο: ταλαντώσεις και πηγέςΗ βαρύτης καθορίζει τις τροχιές. Δρα και ως φακός, επιτρέποντας την παρατήρηση πολύ απομακρυσμένων γαλαξιώνΕίδωλα βαρυτικής οπτικήςΜελανές οπές: τυλιγμένες μέσα στους ορίζοντές τους αποτελούν αναπόφευκτο επακόλουθο της Γενικής Σχετικότητος. Οι μελανές οWMAP: Το νεογέννητο Σύμπαν... μέσα στο αρχαιότερο Φως! Μόλις 350000 ετών ! Σύμπαν περιέχει κυρίως Σκοτεινή Ύλη και ΣκοτεινήΗ σκοτεινή ύλη και ενέργειαΨυχρή Σκοτεινή ΎληΑν είχαμε σημαντική συνεισφορά από θερμή ΣΥ (νετρίνα) που δεν συγκρατούνται από την βαρύτητα, τότε οι συμπυκνώσεις θα εξαλείφΗ Υπερσυμμετρία διαθέτει ψυχρή Σκοτεινή ΎληHEAT (High Energy Antimatter Telescope): Αγνώστου αιτιολογίας ακτινοβολία e+ από το κέντρο του Γαλαξία μαςEGRET: Ψάχνοντας για ΣΥ σε ακτίνες γ από το ΔιάστημαΕπίλογος

Γούναρης ΕΕΦ Λαµία 2006 1users.auth.gr/~gounaris/omilies/lamia2006.pdf ·...

Documents