prof. Kari Rummukainen
prof. Kari Rummukainen
prof. Kari Rummukainen
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Alkeishiukkasista maailmankaikkeuteen:(Hiukkas)fysiikan standardimalli<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>Helsingin Yliopisto<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kaikki koostuu alkeishiukkasista:Aine koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneistaProtonit ja neutronit koostuvat kvarkeistaHiukkasfysiikan Standardimalli yhdistää kaikki tunnetutalkeishiukkaset ja niiden vuorovaikutukset (paitsipainovoiman)Standardimalli + painovoima = tunnettu fysiikkaStandardimalli on erittäin menestyksekäs: sopinut kokeisiin jo~ 40 vuottan. 5 Nobel-palkintoa liittyy suoraan Standardimalliin<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Miksi hiukkasfysiikka?Päämäärä: luonnon perimmäisten lakien,perusvuorovaikutusten selvittäminenKaikkien luonnonilmiöiden takana ovat lopultahiukkasfysiikan perusvuorovaikutuksetFysiikkaLuontoLuonnontieteet<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Hiukkasfysiikan tutkiminenkosmologiahiukkaskiihdyttmetkosmiset säteet &astrohiukkasfysiikka<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Hiukkasfysiikan skaalat:<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Peruslait nyt:Neljä nykyään tunnettua perusvuorovaikutusta:- SähkömagnetismiLähes kaikki arkipäivän ilmiöt- Vahva vuorovaikutus- Heikko vuorovaikutusNäkyvät vain hiukkastasolla- Painovoima (suhteellisuusteoria)Ei kuulu standardimalliin!Ei lopullinen tieteen sana! Näiden takana on luultavastiuusi perusvuorovaikutus, “uusi fysiikka”. Mahdollisestihavaitaan tulevilla kokeilla ja astrofysikaalisilla mittauksilla<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Hiukkasfysiikan standardimalli:Paketoi tunnetun fysiikan: alkeishiukkaset + vuorovaikutukset:Vuorovaikutukset:- Sähkömagnetismifotoni- Vahvagluoni- HeikkoW, Z bosonitAinoa puuttuva pala: Higgsin hiukkanen, ei vielä löydetty!<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Hadronit: kvarkkien sidotut tilatAlkeishiukkasiksi lasketaan myös kvarkeista vahvanvuorovaikutuksen avulla sidotut tilat. Tunnetaan toistasataaerilaista!Baryonit:Mesonit:koostuvat 3 kvarkista koostuvat kvarkista +antikvarkista(protoni, neutroni...) (pionit, kaonit, ...)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Nyt myöspehmoleluina:<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Standardimallin vuorovaikutuksetSähkömagnetismi:Kvanttielektrodynamiikka, QEDVälittäjä fotoni, massatonSitoo elektronit atomiytimiin ja atomittoisiinsaKantama ääretön, mutta voima heikkeneeetäisyyden kasvaessaVastaa lähes kaikesta “tavallisesta”fysiikasta!Vahva vuorovaikutus: Kvanttikromodynamiikka, QCDVälittäjä gluoni, massatonMuodostaa “kuminauhan” kvarkkien välille.Voima ei vähene etäisyyden kasvaessa →vapaita kvarkkeja ei esiinny!Kvarkkien välinen vetovoima ~ 10 5 NPitää baryonit (protonit, neutronit jne)kasassa<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kvarkkien oma massa protonin sisällä on vain n. 1% protoninmassasta→ 99% kaikesta tavallisen aineen massasta tulee vahvanvuorovaikutuksen sidosenergiasta (E = mc 2 )Heikko vuorovaikutus:Välittäjähiukkaset W,Z bosonit, hyvin massiivisia →vuorovaikutus heikko, hyvin lyhyt kantamaRadioaktiivisuus<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Standardimallin rakenne:Lagrangen tiheys (hieman skemaattisesti)q – kvarkit, l – leptonit (elektroni, neutriinot)G,A,B – mittabosonit (fotoni, gluoni, W,Z) – Higgsin hiukkanen<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
KvanttikenttäteoriatKaikki fysiikka on pohjimmiltaan kvanttikenttienfysiikkaa (?)Mikä on kenttä?- vrt. järven pinta: täyttää koko järven, muttei tee mitään- aalto : kuljettaa energiaa → hiukkanen (aaltopaketti)- aaltopaketit liikkuvat, vuorovaikuttavat jne..Esim. 1 elektronikenttä täyttää koko maailmankaikkeuden- kaikki elektronit (ja positronit) ovat tämän eksitaatioita- Elektronikentällä 4 vapausastetta ( [2 spin] x [e - , e + ] )Standardimallissa yht. 90 fermionista + 30 bosonistavapausastetta(Painovoima? Suhteellisuusteoria ei ole kvanttikenttäteoria,eikä kvanttimekaaninen. Lopullinen teoria tuntematon.)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Miksi kvanttikenttäteoria?(suppeampi) suhteellisuusteoria + kvanttimekaniikka--> kvanttikenttäteoria- Ainoa tunnettu tapa yhdistää konsistentistikvanttimekaniikka ja relativistinen Lorentz-invarianssi- Kuvaavat todellisuutta: standardimalli sopii yhteenkokeiden kanssakvanttielektrodynamiikka, QED,on kenties fysiikan tarkimmin varmennettu teoria (kokeet jalaskut yhtäpitäviä 10 desimaalin tarkkuudella!)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kvanttikenttien ominaisuuksia 1- Antihiukkaset: hiukkas-antihiukkaparien tuotto jaannihilaatio (myös tyhjiössä)Feynmanin diagramma- Vuorovaikutukset: hiukkaset vuorovaikuttavat välittäjähiukkasiavaihtamalla<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kvanttikenttien ominaisuuksia 2- Ei ole pelkästään yhden hiukkasen systeemiä: riippuensysteemin ja havaitsijan suhteellisesta liiketilasta, nähdääneri määrä hiukkasia/antihiukkasia- Esim relativistisen protonin ympärillä näkyy “laivue”e-, e+, fotoneja- Tyhjiö ei ole tyhjä:0-pistevärähtelyt,Casimirin efekti<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kvanttikenttien ominaisuuksia 3- Tyhjiö polarisoituu varatun hiukkasen ympärillä.Indusoituneet dipolit varjostavat “paljasta” varausta →näennäinen varaus riippuu etäisyydestä- Lyhyt etäisyys ↔ suuri energia → Juokseva kytkinvakio- Esim. elektronin varaus muuttuu riippuen siitä miltäetäisyydeltä (millä energialla) se mitataan- Varaus taulukkokirjassa: varaus äärettömän kaukana, pienienergia- LHC:n energialla varaus ~ 8% suurempi kuin levossa!- QCD:n kytkentävakio, “värivaraus”, pienenee energiankasvaessa<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Juokseva kytkinvakio standardimallissaQCDkytkinvakio,varausHeikkoQEDEnergia (1/etäisyys)LHC, ~10 3 GeV10 15 GeVKytkinvakiot ~ yhdistyvät 10 15 GeV:n energiassa:yhtenäisteoria, GUT?<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Säilyvät suureetStandardimallin rakenteesta seuraa säilyviä suureita(“symmetria ↔ säilyvä varaus”)- Energia, liikemäärä (4-impulssi), kulmaliikemäärä- Sähkövaraus- Baryoniluku B == protonien+neutronien lukumäärä== kvarkkien lukumäärä / 3- Leptoniluku L == elektronit + neutriinotKoska B on säilyvä, aine on stabiili. Protonin hajoaminenolisi signaali standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta.(tarkkaan ottaen vain B+L on säilyvä, ei B-L. Prosessi onSM:ssä kuitenkin niin hidas ettei sitä tapahdu.)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
MittakenttäteoriaStandardimallin vuorovaikutukset ovat kaikkimittakenttäteorioita (gauge field theory).QED: kuvataan varattuahiukkasta kompleksiluvulla.Jos hiukkanen siirretäänx→y, niin sähkömagneettinenkenttä kiertääkompleksiluvun vaihekulmaaU ,U =e i Lukujen U muodostamaryhmä = U(1),“1x1 unitaarinen matriisi”<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
MittakenttäteoriaHeikko: sama homma, mutta nyt hiukkanen on 2-komponenttinen kompleksivektori: 1 2 U 1 2 ,U ∈SU 2 Nyt kiertoa kuvaa 2x2 kompleksinen unitaarinen matriisi:(ryhmä SU(2)).QCD: nyt hiukkasella on 3 komponenttia, “väriä”: 11 2 2 3U3,U ∈SU 3kiertoa kuvaa 3x3 kompleksinen unitaarinen matriisi (SU(3)).<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
MittakenttäteoriaStandardimallin vuorovaikutuksia kuvaavat siis 1, 2 ja 3-komponenttisten kompleksivektoreiden rotaatioita kuvaavatryhmät (“mittaryhmät”).Miksi juuri nämä? Tätä ei tiedetä.Periaate on hyvin yksinkertainen, ilmiömaailmamonimutkainen<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Pariteetti ja varauskonjugaatioQED ja QCD ovat symmetrisiä heijastusten suhteen, ts.toimivat samalla tavalla peilikuvamaailmassa.Heikko vuorovaikutus ei: se vuorovaikuttaa vain“vasenkätisten” hiukkasten kanssa. Pariteetti Pon rikkoutunut. Massattomille hiukkasilletämä tarkoittaa vasenkätistä spin-tilaa liikesuunnan suhteen:vasen, vuorovaikuttaa heikostioikea, ei vuorovaikuta heikostiAinoa luonnonlaki mikä tekee eron oikean ja vasemmanvälillä! (Vaikutus ei näy arkimaailmassa)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Pariteetti ja varauskonjugaatioAntihiukkaset toimivat kuten peilikuva, ts. nillä heikkovuorovaikutus vaikuttaa vain oikeakätisiin tiloihin.Jos varauskonjugaatio C vaihtaa hiukkaset antihiukkasiksija päinvastoin, on yhdistelmä CP Standardimallin symmetria -melkein!Standardimalli rikkoo myös CP:n mutta hyvin heikosti.<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Higgs:LHC:n ensimmäinen päätavoite: löytää Higgsin hiukkanenHiggsin hiukkanen (tai Higgsin kenttä) antaa muillealkeishiukkasille massan, välttämätön Standardimallille<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kuinka standardimallia tai“uuden fysiikan” teorioitatutkitaan teoreettisesti?Laskemalla:Teoria -> lasku -> vertaa havaintoihin<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Laskut voivat olla analyyttisiä:Feynmanin diagrammat, häiriöteoriaToimii erittäin hyvin sähkömagneettisellavuorovaikutuksella (10 desimaalin tarkkuus)Ei toimi vahvalla ja toimii huonosti heikollavuorovaikutuksella<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Tarkkuuslaskuistatulee erittäinhaastavia:<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Tai sittenmallinnetaanhiukkaskentätdiskreetillä hilalla jasimuloidaantietokoneilla:HilasimulaatiotSuomessa pitkätperinteetRaskaan sarjansuperlaskentaa<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Vahvat vuorovaikutukset hilalla(QCD, kvanttiväridynamiikka)Kvarkit & gluonit: protonien rakennuspalikatVahvasti kytketty, “ei-Abelinen”> Teoria on eihäiriöteoreettinen> Protonin rakennetta ei voi ratkaistaanalyyttisesti, ei edesapproksimoiden!70-luvulla Ken Wilson näyttikuinka panna kvanttikentät(ml. QCD) diskreetille hilalle-> Tietokonesimulaatiot80 -luvun alusta-> Tuloksena saadaan nykyään protoninominaisuudet tarkasti→ kvarkkien välinen vetovoima, protonin massa jne.<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Suuren skaalan laskentaaHilasimulaatiot ovat haastavia superlaskentaprojekteja.Aktiivinen tieteenala, n. 500 osallistujaa vuosittaisissa “lattice”-kokouksissaQCDOC, BrookhavenLouhi, CSC, Espoo<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Esimerkki: kvarkkigluoniplasmaHyvin korkeissa lämpötiloissa hadronit (protonit,neutronit jne.) “sulavat”ja muodostavat kvarkki-gluoniplasmaa: tiheä kaasu kvarkkeja jagluonejaHadronitKvarkki-gluoniplasmaLöydetty hilasimulaatioilla (mm. Helsingissä); vahvistettiinraskasionikokeissa (RHIC, Brookhaven; CERN)Tutkitaan LHC:llä (ALICE-koe)<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kvarkkiplasmaa neutronitähdissä?- Onko ytimessä kvarkkiplasmaa?- Ei osata vielä laskea- Ominaisuudet määräävätneutronitähden stabiiliudenja suurimman koonCrab nebula<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Jos Higgs löytyy, onko kaikki kunnossa? Ei: nytstandardimallin 40vuotinen valtaasema rapautumassa:Kosmologisia havaintojajoita standardimalli ei pysty selittämään:Miksi ainetta ylipäänsä on olemassa? (4% ainetta ~ 1 protoni 4kuutiometriä kohti.) Miksi ei antiainetta?Mitä on pimeä aine (22%)?Entä pimeä energia (74%)?Lisäksi:Standardimalli on ruma, paljon parametrejä jne.Hienosäätö-ongelma: luontainen validiteettialue loppumassasuurilla energioilla? Ollaanko lähestymässä rajaa?Painovoima?<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>Uusi fysiikka häämöttää?Uudet kokeet (LHC, CERN); astrohiukkasfysiikka &kosmologia
Standardimallin teoreettisia ongelmiaSyyllinen: Higgsin hiukkanen!Hierarkiaongelma: jos Standardimalli olisi voimassa GUTskaalalle(10 15 GeV),täytyy Higgsin massaparametrin olla hienosäädettytarkkuudelle 1/10 23Vakuumin stabiilius: jos Higgs on liian kevyt, on nykyinenvakuumi vain metastabiili → tunneloituminen oikeaan vakuumiin?Triviaalisuus: jos Higgs on liian raskas, loppuu teorianvaliditeettialue jo ennen GUT-skaalaa.Ongelmat osoittavat että Standardimalli on vain “matalanenergian” efektiivinen teoria, joka on korvattava uudellakuvauksella korkeilla energioilla<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Kosmologiasta on tullut täsmätiedettä:Varhainen maailmankaikkeus oli äärimmäisen kuuma:hiukkasfysiikka tärkeää!Energia paljon suurempi kuin hiukkaskiihdyttimissä!Jättänyt jälkensä maailmankaikkeuteen:WMAP-satelliitinmittaama mikroaaltotaustasäteilynepähomogeenisuusalkuräjähdyksenjälkihehku<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Maailmankaikkeuden koostumus:Taustasäteilystä ja muista astrofysikaalisista havainnoista:4% tavallinen aine (Standardimalli)22% pimeä aine (tuntematon hiukkanen)74% pimeä energia<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Pimeä aine – galaksien rakenneJo 1937 F. Zwicky havaitsi ettägalakseissa on paljon enemmännäkymätöntä, ”pimeää” ainettakuin näkyvää.Vera Rubin 1970:systemaattinen galaksienrotaatiospektrin tutkimus=> n. 90% aineesta on pimeää,siis ei säteile valoaAineen luultiin olevan pölyä jakaasua. Vasta viime vuosina onselvinnyt että se ei voi koostuatunnetuista alkeishiukkasista.<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Täysin pimeä galaksi?VIRGO HI21: kokonaismassa ~10 11 M sun, mutta vetyä onvain ~ 10 8 M sun! Näkyy painovoiman kauttaR. Minchin et al.,ApJ 622 (2005) L21vastaavan massainen“normaali” galaksi<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Bullet-galaksiklusteri: pimeä aine vs. tavallinen aine<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Pimeä energiaPimeä aine koostuu todennäköisimmineksoottisista, standardimalliin kuulumattomistahiukkasista =>Uusi hiukkasfysiikan teoria. Useitakandidaatteja, mahdollisesti löydetäänkokeellisesti 2010-18 (LHC, CERN)Pimeä energia: mysteeri, tunnettu fysiikkaantaa 10 120 -kertaa liian suuren arvon!Kvanttigravitaatio? Supersäikeet? ... ?Ei tunneta toimivaa tapaa.<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Mitä standardimallin jälkeen?Teoreettisten fyysikoiden leikkikenttäKymmeniä teoriakandidaatteja, joista lähes kaikki karsiutuvat poisennemmin tai myöhemmin, kun havaitaan etteivät ne sovi yhteenhavaintojen kanssa.Supersymmetria : suosituin standardimallinlaajennus.Uudet ulottuvuudet: avaruus voi sisältääenemmän kuin 3 ulottuvuutta! Nämälisäulottuvuudet on “rullattu” niin pieniksi etteiniitä ole vielä havaittu. Hyvin spekulatiivisia.Yhtenäisteoriat (GUT): yhdistävät sähkömagnetismin, vahvan jaheikon vuorovaikutuksen yhdeksi vuorovaikutukseksi.Säieteoriat: pistemäiset hiukkaset korvataan 1-ulotteisilla säikeillä.Mahdollisuus yhdistää myös gravitaatio: “kaiken teoria”.Jne ....<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
pimeä energiaSäieteoria???Yhtenäisteoria?Supersymmetria?Uudet ulottuvuudet???pimeä aineHiggsStandardimalliTunnetunfysiikanrajaSM Vahva Heikkoatomiytimet??atomit, molekyylitkemiakiinteä ainebiologia<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>jne...gravitaatio
Hiukkaskiihdyttimet:Kiihdytetään hiukkaset (protonit) suureen nopeuteenTörmäytetään vastakkaiseen suuntaan kulkevaanhiukkasiinPaljon energiaa -> uusia hiukkasia<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
LAGUNASyvällä maan alla, suojassa häiriöiltä tutkitaan:- Avaruudesta tulevia, heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia (neutriinot,pimeä aine)- Aineen stabiiliutta - “protonin hajoaminen”Eurooppalaisessa LAGUNA-projektissavalmistellaan suurta maanalaistahavaintolaitetta.Suomi on LAGUNAssa aktiivisestimukana (CUPP, Oulun yliopisto)Pyhäsalmen kaivos on kärjessäehdolla olevista sijoituspaikoista<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Mitä LAGUNAlla tutkitaan?Laguna mittaa ennen kaikkeaneutriinoja, joita syntyy eriydinreaktioissa:Neutriinojen ominaisuudetAineen hajoaminenSupernovatAuringon rakenneMaan ytimen ydinreaktiotRakentamisaikataulu: 2012-2020Käyttöaika: vähintään 50 vuottaHinta: 300-500 milj.€.
Pyhäsalmen kaivosPyhäsalmen kaivos on erittäinkilpailukykyinen paikka kansainväliselletutkimuslaboratoriolle:Euroopan syvin toimiva kaivos,1400 m (~ 4000 m.W.e.)Stabiili, kova kiviHelppo pääsy eri syvyyksille:laajenemismahdollisuudetAlueen geologia tunnetaan hyvinMatala taustasäteilyKaivoksessa jo toimii Oulun yliopiston alainentutkimuslaitos, CUPP (Centre for UndergroundPhysics, Pyhäsalmi), johtaja Timo EnqvistEMMA-koe<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Lopuksi:Uusi fysiikka tulossa:Viimeaikaiset kosmologiset ja astrofysikaaliset havainnotedellyttävät standardimallin ulkopuolista fysiikkaa. Tätä eiole vielä havaittu maanpäällisissä kokeissa.Löydettävissä uusilla hiukkaskiihdyttimillä (LHC) jaastrohiukkasfysiikan kokeilla (mm. maanalaisethavaintolaitteet)Runsaasti uutta dataa: teoreettisten mallien pudotuspeli.Suomi on mahdollinen isäntämaa etulinjan hiukkasfysiikankokeelle!→ Hiukkasfysiikassa odotettavissa mielenkiintoisinvuosikymmen sitten 70-luvun!<strong>Kari</strong> <strong>Rummukainen</strong>
Change language