Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w

laboratorium CERNmgr inż. Małgorzata Janik - majanik@cern.ch

mgr inż. Łukasz Graczykowski - lgraczyk@cern.ch

Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

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

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

Teleskop Kosmiczny Hubble'a

Mgławica OrzełFilary stworzenia

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

Teleskop Kosmiczny Hubble'aObraz Głębokiego Kosmosu

Jak sięgnąć do początków?

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?

RO

ZM

IAR

, KO

MP

LIK

AC

JA

TE

MP

ER

AT

UR

A, G

ĘS

TO

ŚĆ

Model Wielkiego Wybuchu

Jak zbadać coś czego nie możemy zobaczyć?

Zacznijmy od podstaw...

~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

~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

Czy można uwolnić kwarki?

Para kwark-antykwark (mezon)

Próbujemy je rozdzielić (dodajemy energię)

E=mc2!

Dostajemy dwa mezony

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

w zasadzie podobne?

Zróbmy zatem porównanie...

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

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?

Podgrzewanie

PodgrzewanieŚciskanie

Ściskanie

W teorii można...

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

LHCLHCCERN/MeyrinCERN/Meyrin

Jezioro GenewskieJezioro Genewskie

Alpy/Masyw Mont BlancAlpy/Masyw Mont Blanc

GenewaGenewa

Przebieg reakcji w czasie i przestrzeni

Plazma kwarkowo-gluonowa

Zderzamy dwa jądra

Kwarki łączą się w cząstki

Diagram fazowy plazmy

Diagram fazowy wodyTemperatura krytyczna, poniżej której następuje przejście fazowe.

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

Tu jest obszar naszych zainteresowań

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?

KONIEC CZĘŚCI IKONIEC CZĘŚCI I

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

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

majanik@cern.chmajanik@cern.ch

lgraczyk@cern.chlgraczyk@cern.ch

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?

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.

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?

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.

Granica poznania: promieniowanie tła

Planck

1978 – Nagroda Nobla (Penzias, Wilson)

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)”.

Model Wielkiego Wybuchu

WMAP / Planck

Jądra atomowe

Protony i neutrony

Plazma kwarkowo-gluonowa

Powstają cząstki elementarne

Inflacja

? (Kwantowa grawitacja)