Mere end en kilometer for at se mindre end en femtometer Ulrik I. Uggerhøj Institut for Fysik og Astronomi Århus Universitet

Et indblik i højenergi-fysik … mest fra maskine-siden….

Udvalgte åbne spørgsmål

De 10 ’store’ Are all the (measurable) dimensionless parameters that characterize the physical universe calculable in principle or are some merely determined by historical or quantum mechanical accident and uncalculable? How can quantum gravity help explain the origin of the universe? What is the lifetime of the proton and how do we understand it? Is Nature supersymmetric, and if so, how is supersymmetry broken? Why does the universe appear to have one time and three space dimensions? Why does the cosmological constant have the value that it has, is it zero and is it really constant? What are the fundamental degrees of freedom of M-theory (the theory whose low-energy limit is eleven-dimensional supergravity and which subsumes the five consistent superstring theories) and does the theory describe Nature? What is the resolution of the black hole information paradox? What physics explains the enormous disparity between the gravitational scale and the typical mass scale of the elementary particles? Can we quantitatively understand quark and gluon confinement in Quantum Chromodynamics and the existence of a mass gap? "Millennium Madness" Physics Problems for the Next Millennium

Coming soon to a theatre near you… (?) Massive neutrinoer Mørk energi Gravitationsbølger Anti-atomer, CPT, asymmetriens oprindelse Higgs, supersymmetri, superstrenge Kosmiske stråler Hawking stråling, sorte huller Antal partikelfamilier GUT, proton stabilitet Antallet af dimensioner (Mini-) sorte huller “Century Madness" Physics Problems for the Next Century

Antal partikelfamilier 4 ‘nødvendige’ partikler: u-quark, d-quark, elektron, neutrino Men der er flere!

Opsummering

Oversigt

SLAC, San Francisco, USA

SLAC San Francisco, USA

2-mile accelerator Klystron bygning (verdens længste)

CP-brud BaBar (SLAC) Asymmetrisk collider Kaon-systemet: 4e-6 Bmeson-systemet: 13% (!)

RHIC, Brookhaven, USA

Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven, USA 1 GeV = 1013 K

Guldkerner rammer guldkerner ’Lav’ energi ’Høj’ energi

RHIC Mange tusinde partikler pr. kollision: ’Varme’ ’Tæthed’ ’Entropi’ QGP signaturer: Energitæthed ca. 10 GeV/fm3 T ca. 175 MeV (som QCD) Stort volumen (> Au kerne) Termisk ligevægt

LHC, Geneve, Schweiz

Large Hadron Collider (LHC)

Large Hadron Collider (LHC) ATLAS team Typisk ca. 1500 fysikere i en kollaboration (3 i alt) Tidshorisont: Omkring 20 år Ca. pris pr. eksperiment: 3 mia. kroner

LHC Superflydende helium, 1.9 K = -271 °C I = 12.4 kA, 8.4 Tesla 7.1 MJ/stk.=1.5 kg TNT 1200 stk. hver 14 meter lang!

LHC strålen Hver beam ’dump’: 800 tons! 16 mikrometer tynd partikelstråle 334 MJ = 72.6 kg dynamit!

LHC: Higgs, supersymm., (super-)strenge ’The’ Higgs: Higgs: Vejer mindre end 1 TeV Ellers er: bredden > massen W-W spredning, p>1 Ca. 1995: Anden superstrengsrevolution (strengteori er ved at være så godt kendt at der skrives bøger der kan forstås på 2. del (B. Zwiebach, feks.)

Antallet af dimensioner og mini sorte huller Antagelse: Ekstra ’sammenkrøllede’ dimensioner influerer kun tyngdekraften. -> Planck længden (hbar,c og G[D]) bliver en ’effektiv’ længde, dvs. dimensionsafhængig. Simulering af mini sort hul henfald v. LHC For N>5 kan Planck energien blive TeV. Bedste øvre grænse: d=0.2 mm (!) Tilfældet N=5 eksperimentelt udelukket (influerer solsystemet).

GUT, proton stabilitet Supersymmetri (LSP stabil – LHC?) Nukleon henfald (t>5e33 år, 90% CL) -> SU(5)

CNGS Geneve, Schweiz – Gran Sasso, Italien

Neutrino-stråle

Massive neutrinoer K2K (Japan) CNGS (CERN) Super-Kamiokande Minos (USA) Super-Kamiokande Atmosfæriske neutrinoer:

CLIC, Geneve, Schweiz

CLIC (før den, måske Tesla eller NLC) Motivation (bla.): CP-brud i Higgs sektor Flere Higgs-bosoner Nye spartikler Extra dimensioner Udfordringer: Stabilitet (2 nm!) Høj gradient RF Beamstrahlung Ultra-lav emittans

CLIC Design-studier afsluttes (måske) 2009

Hawking stråling, sorte huller ’Beamstrahlung’ Unruh stråling:

Myon collider (?) Reduceret strålingstab (lille ring mulig) Lepton kollisioner (veldefineret) Men: Neutrino strålingsfare (!) Køling kompliceret (levetid)

Mere end en kilometer for at se mindre end en femtometer

Anti-atomer, CPT, asymmetriens oprindelse Ved Big Bang: Lige mange af hver! Nu: Meget få antipartikler 1.000.000.000 antipartikler 1.000.000.001 partikler Brint – antibrint sammenligninger -> CPT brud (?)

Antibrint hyperfinstruktur – få m er nok! `Bedste CPT grænse´: `kvalificeret gæt´: = = (10-18 prec. 1S-2S) GS-HFS konkurrencedygtigt m. K-system (i energienheder): Forventet 10-6

Overalt

Mikrobølgebaggrundsstråling WMAP COBE Planck, Opsend. 2007

Mørk energi Hvor hurtigt bevæger fjerne supernovaer sig? ΩM=0.27, ΩV=0.73 Ω=2 Ω=1 Ω=0 ’Steady-state’ Det tyder på at det meste af Universet er et ukendt ’stof’ med negativt tryk (’mørk energi’)…. (?)

Kosmisk stråling Meget energirige partikler (protoner eller fotoner) bombarderer Jorden Giver ‘byger’ af elementarpartikler eV 1 keV 103 MeV 106 GeV 109 TeV 1012 PeV 1015 EeV 1018 ZeV 1021

Kosmiske stråler Partikler med >1020 eV: Kan ikke ‘laves’ Kan ikke ‘rejse’ Ca. 1 pr. km2 pr. 100 år Eksisterer de?

Gravitationsbølger LIGO Sort hul – neutronstjerne kollision

Verdensfysikåret

Lysets fart – en øvelse for gymnasiet (?) Øvelsesvejledning, stykliste og kort konstruktionsvejledning udleveret, opdateres på www.phys.au.dk/~ulrik/lysets_fart_v10.pdf Samlet pris < 3500 kr. Anslået tidsforbrug på samling: 2-3 timer (kun 1 gang) Anslået tidsforbrug på opstilling (1ste gang): 2 timer, herefter 1 time Præcis måling (få %) som demonstrationsforsøg: 1 time Præcis måling som elevforsøg: 2 timer (med hjælp) – egnet til grupper på op til 7-8 personer

Mere end en kilometer for at se mindre end en femtometer …