Partikkelfysikk og CERN i den store sammenhengen

Referat fra foredrag av Egil Lillestøl med bakgrunn fra CERN og Universitetet i Bergen, Nansensenteret 24.februar 2010, BAF medlemsmøte. (Fritt referert).

Presentasjon fra foredraget kan du se her .

Innledning

I partikkelfysikken studerer man de minste byggesteinene og kreftene mellom dem. Astrofysikken studerer universets sammensetning og utvikling fra Big Bang til i dag. Hubble ultra deep field viser galakser opp til ca 13 milliarder lysår vekk slik de var for 13 milliarder år siden. Dette bildet viser galakser som er forskjellige fra de yngre galaksene vi ser nærmere oss. Galaksene fjerner seg fra hverandre. De ble dannet mindre enn 1 milliard år etter Big Bang.

Noen tall:

Det er anslått at det finnes ca. 100 milliarder galakser (10010^9). Det er ca. 100 milliarder stjerner i hver galakse. Dette gir totalt ca. 110^22 stjerner total. (Dette er 10 000 milliarder milliarder stjerner, eller skrevet helt ut: 10 000 000 000 000 000 000 000 stjerner.) Det er gode grunner til å tro at Big Bang ”skapte” materien. Dette skjedde da for ca 13.7 milliarder år siden.

Newton og Hubble:

Farten v til for eksempel en galakse i forhold til oss er proporsjonal med avstanden r, som da er avstanden fra oss til galaksen. V = H * r , der H = Hubble konstanten Farten måles direkte i fra dopplerskiftet eller rødforskyvningen til objektet som studeres. Det er vanskelig å måle r som er avstanden fra oss til det aktuelle objektet. (Før trodde man at universet var ca. 2 milliarder år gammelt pga. andre estimat av avstand r og derved H)

Einstein:

Rommet mellom galaksene utvider seg eller ekspanderer. Lysbølgene utvider seg i takt med rommets utvidelse. Med andre ord så strekker rommet lysbølgene, og det er dette som gir rødforskyvning som funksjon av tid. Det tomme rommet har fysiske egenskaper! (Det finnes også andre typer rødforskyvning som for eksempel pga. et objekts bevegelse gjennom rommet relativt til oss (alternativt blåforskyvning hvis noe har hastighet mot oss), eller pga. lysets unnslipping fra et gravitasjonsfelt.)

Noen størrelser:

• Atom: 10^-10m
• Kjerne: 10^-14m
• Nukleon: 10^-15m
• Kvark(q): 10^-18m
• Elektron: 10^-18m

Avstanden 10^-18m er grensen for hva vi kan måle, og således er størrelsene som er oppgitt for et kvark eller elektron øvre grense for størrelse!

Hvordan ser en kvark ut?

Tor Sponga (BAF-medlem) fikk i oppdrag å tegne en kvark i forbindelse med en BT serie om CERN og partikkelfysikk. Han spurte Egil hvordan en kvark så ut, og fikk vite at ingen hadde noen gang observert eller isolert en kvark, så ingen kom til å ta ham på dette uansett hvordan den ble illustrert. Han tegnet derfor et fantastisk sjarmerende lite vesen som representant for kvarken. Denne illustrasjonen har Egil senere sett igjen i mange senere presentasjoner rundt om i verden!

Stabil materie:

To kvarker, u, d, med ladning +2/3 og -1/3, og to leptoner som ett elektron -1 og ett nøytralt nøytrino. I tillegg finnes tilsvarende antipartikler til alle disse. Men naturen har bestemt seg for å lage to tyngre kopier av disse fundamentale partiklene. Hvorfor? Muligens pga. antistoffer? Universet består av 75 % Hydrogen og 24 % Helium. Tyngre elementer utgjør ca. 1 % av vanlig materie. Disse tyngre elementene er dannet av supernova eksplosjoner.

Hvordan og når ble materien dannet?

Tid: t=10^-32 sekunder, T=10^26 Kelvin. Materie fra Energi og E=mc^2. Det som i dag er det observerbare univers var da kun 10cm stort! Man tror at dette ikke var det hele, men at universet allerede den gang var like stort i ”diameter” som dagens observerbare univers! (Dette gjør de allerede ufattelige dimensjonene ufattelig mye mer ufattelig.)

Partikkelfysikkeksperimenter:

Energi inn i vakuum -> materie ut. Ved CERN finner vi ca.100m under bakken den nye Large Hadron Collider (LHC). Den består av 30.000 tonn med superledende magneter. Kjøles til 1.8K. Vakuum inni. 7600km med superledende kabel, noen mm tykk, består av 36 kordeler med 6300 filamenter i hver kordel hvorav hvert filament er 0.0006mm tykt. Dette er fordi superledernes strøm går på overflaten av filamentene. Kommer opp i 13000 Ampere. ATLAS-detektoren er 50m lang og 25m i diameter. Det kjøres protoner mot hverandre fordi man vi se kvarker som kolliderer. Det skal også kjøres blykjerner mot hverandre.

Kosmologi og bakgrunnsstråling:

Det må være ujevnheter for at materie skal klumpe seg sammen. Simuleringer viser utvikling av universet som ligner på virkeligheten. Det holder ikke med observerbar materie => mørk materie. Steven Hawking uttalte i forbindelse med COBE: Hvis ikke strukturer observeres i bakgrunnsstrålingen er Big Bang teorien feil. Universets ekspansjon med Newtons mekanikk (se presentasjon for formler):

Total energi = Kinetisk + potensiell energi = konstant (k) Det er gode grunner til å tro at k=0. Da blir summen av energi lik null. Da er rho lik rho kritisk.

Nukleær fysikk:

Tetthet i andel av kritisk tetthet ser ut til å være ca. 5% (4.2 +/-0.6%) => Vanlig materie er kun 5% av totalen.

WMAP:

Vanlig materie 4.4% +/-0.4% av totalen.

Re-kombinasjon:

Før denne var all materien i form av plasma => strålingen kommer ikke ut. Da protoner (og nøytroner) ”slo seg sammen” med elektroner og dannet nøytrale atomer slapp strålingen fri og ble sendt av sted i alle retninger. Dette skjedde 380000 år etter Big Bang da T=3000K. Det er denne strålingen vi i dag observerer som bakgrunnsstråling! Målinger viser at denne strålingen nå har en temperatur på 2.73K. Dette betyr at universet har ekspandert med en faktor på 1100. (3000/2.73). Målingene av bakgrunnsstrålingen viser at frekvensspekteret har form som en perfekt planck-kurve!

Kvantefluktasjoner kan ha blitt værende etter inflasjonen fordi de har blitt ”trukket fra hverandre” av denne. ”Lydbølger” i universet fra inflasjons slutt til rekombinasjon kan sees som variasjonene i bakgrunnsstrålingen, og er ”ekko” i fra Big Bang.

Mørk materie:

Vi observerer en konstant fart på ca. 200km/s i banehastigheter til stjerner i galakser uavhengig av hvor de befinner seg i forhold til sentrum av galaksen. Dette kan forklares med eksistensen av mørk materie.

Partikkelfysikkens standardmodell:

Kan forklare alt som er observert, uten avvik. Men: Krever at det finnes et sett med partikler kalt supersymmetriske partikler. Disse må være produsert sammen med vanlig materie. De må være tunge, og den letteste må være stabil. De vekselvirker svakt, og ligner på det som trengs i astrofysikken (mørk materie). Man håper å påvise disse ved hjelp av LHC. De første stjernene ble dannet ca 100 millioner år etter Big Bang. Dette var gigantstjerner. De første spiralgalaksene ble dannet ca. 1 milliard år etter Big Bang. Kvantefysikken kan forklare spiralstrukturen.

Vil LHC føre til en fullstendig beskrivelse i fra Big Bangs mikro til dagens makro?

Fritt referert av Jostein B. Johansen (Eventuelle faktafeil er etter all sannsynlig generert av referent.)