Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa teoreetikon näkökulmasta

gceWuRCA5A

Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa teoreetikon näkökulmasta

Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa

teoreetikon näkökulmasta

Aleksi Vuorinen

Bielefeldin yliopisto

CERN, 4.6.2012

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Sisältö

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Johdanto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Kosmologiaa

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Yhteenveto

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Sisältö

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Johdanto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Kosmologiaa

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Yhteenveto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Mitä on (teoreettinen) hiukkasfysiikka?

◮ Halu ymmärtää luonnon toimintaa pienimmillä mahdollisilla

pituusskaaloilla

◮ Hiukkasfysiikan peruskysymyksiä: Mistä kaikki koostuu?

Mitkä ovat aineen pienimmät rakenneosaset? Miten niiden

vuorovaikutuksia voi kuvata?

◮ Läheinen yhteys myös kosmologian ongelmiin: Mikä on

maailmankaikkeuden suuren skaalan rakenne? Miten

universumi syntyi ja miten se tulee kehittymään?

◮ Teoreettinen fysiikka: ”Liitutaululla tehtävä työ”

◮ Havaittujen luonnonlakien pukeminen matemaattisten

mallien muotoon

◮ Lisähaaste: Halu selittää eri ilmiöt mahdollisimman

yksinkertaisen ja yksikäsitteisen teorian avulla — Miksi

luonto on sellainen kuin se on?

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Mitä on (teoreettinen) hiukkasfysiikka?

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Mitä on (teoreettinen) hiukkasfysiikka?

◮ Hiukkasfysiikan historia matka kohti yhä pienempiä pituusja

suurempia energiaskaalojaja uusia hiukkasia

◮ Vrt. aaltoliikkeen perusyhtälö λ = v/f , aaltohiukkasdualismi

◮ Kehitys tyypillisesti kokeiden kautta: Ilmiö havaitaan ensin,

ja sitten yritetään selittää mallilla

◮ Tällä hetkellä asetelma päinvastainen: kokeellisen

hiukkasfysiikan ”state of the art” 10 −20 m, teoreettisen

10 −36 m

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Mitä on (teoreettinen) hiukkasfysiikka?

◮ Hiukkasfysiikan historiassa tyypillisesti pitkä jakso

suurimmaksi osaksi kokeellista työtä, jota seuraa uusi

teoreettinen läpimurto

◮ Jatkuuko trendi myös tulevaisuudessa?

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Effektiiviset teoriat

Puheen loppuosa yhdessä lauseessa:

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Tähän päivään mennessä kokeellisesti havaittujen

hiukkasfysiikan ilmiöiden oikea effektiivinen teoria on

Standardimalli.

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Effektiiviset teoriat

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

◮ Kaikki fysiikan — ja muidenkin (luonnon)tieteiden — teoriat

(pl. säieteoria) effektiivisiä; äärellinen pätevyysalue

◮ ”Kaiken teoria” ei luultavasti kovin käyttökelpoinen

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Effektiiviset teoriat

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

◮ Kaikki fysiikan — ja muidenkin (luonnon)tieteiden — teoriat

(pl. säieteoria) effektiivisiä; äärellinen pätevyysalue

◮ ”Kaiken teoria” ei luultavasti kovin käyttökelpoinen

◮ Teoriaa rakennettaessa

tärkeää identifioida relevantit

vapausasteet

◮ Teoriat riippuvat

parametreista, jotka mitataan

tai lasketaan toisesta

teoriasta

◮ Esimerkkejä: Atomifysiikka,

kemia, sosiaalipsykologia,

Standardimalli,...

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Sisältö

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Johdanto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Kosmologiaa

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Yhteenveto

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Kaikki havaittu tavallinen aine koostuu atomeista, jotka

puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista

◮ Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen

alirakenne: pistemäiset kvarkit

◮ Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila

◮ Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila

◮ Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista

◮ Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja

◮ SM:n vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen

sekä heikko ja vahva (ydin)voima

◮ Ainoa (virallisesti) havaitsematon SM:n hiukkanen, Higgs,

on olennainen osa muiden hiukkasten massojen selittäjänä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Kaikki havaittu tavallinen aine koostuu atomeista, jotka

puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista

◮ Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen

alirakenne: pistemäiset kvarkit

◮ Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila

◮ Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila

◮ Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista

◮ Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja

◮ SM:n vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen

sekä heikko ja vahva (ydin)voima

◮ Ainoa (virallisesti) havaitsematon SM:n hiukkanen, Higgs,

on olennainen osa muiden hiukkasten massojen selittäjänä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Kaikki havaittu tavallinen aine koostuu atomeista, jotka

puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista

◮ Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen

alirakenne: pistemäiset kvarkit

◮ Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila

◮ Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila

◮ Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista

◮ Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja

◮ SM:n vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen

sekä heikko ja vahva (ydin)voima

◮ Ainoa (virallisesti) havaitsematon SM:n hiukkanen, Higgs,

on olennainen osa muiden hiukkasten massojen selittäjänä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Kaikki havaittu tavallinen aine koostuu atomeista, jotka

puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista

◮ Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen

alirakenne: pistemäiset kvarkit

◮ Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila

◮ Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila

◮ Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista

◮ Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja

◮ SM:n vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen

sekä heikko ja vahva (ydin)voima

◮ Ainoa (virallisesti) havaitsematon SM:n hiukkanen, Higgs,

on olennainen osa muiden hiukkasten massojen selittäjänä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Kaikki havaittu tavallinen aine koostuu atomeista, jotka

puolestaan protoneista, neutroneista ja elektroneista

◮ Protoni ja neutroni esimerkkejä hadroneista, joilla edelleen

alirakenne: pistemäiset kvarkit

◮ Mesoni = kvarkki-antikvarkkiparin sidottu tila

◮ Baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila

◮ Elektroni esimerkki pistemäisistä leptoneista

◮ Lisäksi vuorovaikutusten välittäjähiukkasia, mittabosoneja

◮ SM:n vuorovaikutuksia kolme: sähkömagneettinen

sekä heikko ja vahva (ydin)voima

◮ Ainoa (virallisesti) havaitsematon SM:n hiukkanen, Higgs,

on olennainen osa muiden hiukkasten massojen selittäjänä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

◮ Ainehiukkaset

◮ Kvarkit ja leptonit

◮ 3 perhettä

◮ Välittäjähiukkaset

◮ γ, W ± , Z , g

◮ Higgsin hiukkanen

◮ Vihdoin löytymässä!

◮ Ilmeisesti mH ≈ 125 GeV

◮ Antaa massan muille

hiukkasille

◮ 1 MeV = 1.8×10 −30 kg×c 2 =

1.6×10 −13 J

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin osat ja rakenne

◮ Sähkömagneettinen vuorov.

◮ Välittäjä: fotoni γ

◮ Tuntee: kaikki sähköisesti

varatut hiukkaset

◮ Heikko ydinvoima:

◮ Välittäjät: W ± , Z

◮ Tuntee: Kaikki paitsi γ ja g

◮ Erikoisuus: Mittabosonien

massat, W:n

itseisvuorovaikutus

◮ Vahva ydinvoima:

◮ Välittäjä: gluoni g

◮ Tuntee: kvarkit ja gluoni

◮ g:n itseisvv, confinement

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Standardimalli fysikaalisena teoriana

◮ Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria

◮ Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon — vrt. klassinen

mekaniikka ja elektrodynamiikka

◮ Teorian peruselementtejä kentät, joiden

pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat

◮ Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen:

Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen

aallonpituus

◮ Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. vapaat

hajoamiskanavat

◮ Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat

◮ Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät

vuorovaikutusten muodon

◮ Standardimallin ns. mittaryhmä SU(3)×SU(2)×U(1)

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Standardimalli fysikaalisena teoriana

◮ Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria

◮ Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon — vrt. klassinen

mekaniikka ja elektrodynamiikka

◮ Teorian peruselementtejä kentät, joiden

pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat

◮ Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen:

Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen

aallonpituus

◮ Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. vapaat

hajoamiskanavat

◮ Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat

◮ Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät

vuorovaikutusten muodon

◮ Standardimallin ns. mittaryhmä SU(3)×SU(2)×U(1)

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Standardimalli fysikaalisena teoriana

◮ Standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria

◮ Kvanttimekaniikan yleistys jatkumoon — vrt. klassinen

mekaniikka ja elektrodynamiikka

◮ Teorian peruselementtejä kentät, joiden

pistemäisiä virittyneitä tiloja havaittavat hiukkaset ovat

◮ Hiukkasen massa määrää sen aalto-/hiukkasluonteen:

Mitä massiivisempi hiukkanen, sitä pienempi sen

aallonpituus

◮ Hiukkasen elinikään vaikuttavat mm. vapaat

hajoamiskanavat

◮ Teorian perusominaisuuksia ovat sen symmetriat

◮ Pääteltävissä hiukkasspektrin ominaisuuksista; määräävät

vuorovaikutusten muodon

◮ Standardimallin ns. mittaryhmä SU(3)×SU(2)×U(1)

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Standardimalli fysikaalisena teoriana

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin puutteet

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Effektiivisenä teoriana SM epätäydellinen

◮ Rajallinen pätevyysalue: ongelmia pienillä pituusskaaloilla /

suurilla energioilla

◮ Hiukkasten massoilla (ja monilla muilla parametreilla)

”mielivaltaiset” arvot

◮ Perheiden lukumäärälle ei selitystä

◮ Vain sähkömagneettinen ja heikko vuorov. yhdistyvät

korkeilla energioilla, vahva jää erilleen

◮ Hierarkiaongelma: Miksi SM:n energiaskaala (100 GeV)

niin kaukana kvanttigravitaation skaalasta (10 19 GeV)?

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin puutteet

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ SM ei selitä kaikkia havaintoja

◮ Ei sisällä gravitaatiota

◮ Neutriinoilla ei massoja, vaikka havainnot

(neutriino-oskillaatio) osoittavat toisin

◮ Ei selitä baryoniasymmetriaa: Miksi ainetta enemmän kuin

antiainetta?

◮ Suurin osa maailmankaikkeuden energiasisällöstä ei SM:n

piiristä (pimeä aine, pimeä energia)

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin puutteet

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ SM ei selitä kaikkia havaintoja

◮ Ei sisällä gravitaatiota

◮ Neutriinoilla ei massoja, vaikka havainnot

(neutriino-oskillaatio) osoittavat toisin

◮ Ei selitä baryoniasymmetriaa: Miksi ainetta enemmän kuin

antiainetta?

◮ Suurin osa maailmankaikkeuden energiasisällöstä ei SM:n

piiristä (pimeä aine, pimeä energia)

◮ LHC:n törmäysenergian uskotaan yleisesti riittävän SM:n

ulkopuolisen fysiikan loytämiseen

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin yleistyksiä

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Paljon malleja — vähän kokeellista dataa

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin yleistyksiä

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Paljon malleja — vähän kokeellista dataa

◮ SUSY: Jokaisella SM:n hiukkasella superpartneri

◮ Superpartnereja ei vielä löydetty ⇒ Symmetria rikkoutunut

toistaiseksi tutkituilla energioilla

◮ Tarjoaa selitysmallit mm. pimeälle aineelle ja

baryoniasymmetrialle

◮ ”Kaunis” ajatus — myös yksi harvoista säieteorian

ennusteista

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin yleistyksiä

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Paljon malleja — vähän kokeellista dataa

◮ Lisäulottuvuudet: Entä jos universumissa on enemmän

kuin 3 + 1 dimensiota?

◮ Ylimääräiset ulottuvuudet yleensä mikroskooppisia,

eivätkä siksi helposti havaittavissa

◮ Pimeä aine ja hierarkiaongelma ratkaistavissa

◮ Erittäin kuuma aihe tällä hetkellä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin yleistyksiä

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Paljon malleja — vähän kokeellista dataa

◮ Säieteoria: Hiukkaset → Planckin pituuden kokoiset

säikeet 9+1 ulottuvuudessa

◮ Ainoa vakavasti otettava yrite UV-ongelmattomaksi

yhtenäisteoriaksi

◮ Sisältää sekä SUSY:n että lisäulottuvuuksia

◮ ”Landscape”-ongelma: Säieteoria ei välttämättä koskaan

prediktiivinen/falsifioitavissa

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Standardimallin yleistyksiä

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

◮ Paljon malleja — vähän kokeellista dataa

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Sisältö

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Johdanto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Kosmologiaa

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus ikkuna SM:n

ulkopuolelle

◮ Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat

mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E ≫ E LHC

◮ Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: Kosmologia!

◮ Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia)

laski ajan myötä: T ∼ t −1/2

◮ Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava

◮ Hiukkasreaktiot tärkeitä aineen kollektiivisten

ominaisuuksien kannalta ⇒ ”Alkuhiukkaspuuro” jättänyt

jälkensä nykymaailmankaikkeuteen

◮ Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus,

kosmiset reliikit...

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus ikkuna SM:n

ulkopuolelle

◮ Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat

mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E ≫ E LHC

◮ Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: Kosmologia!

◮ Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia)

laski ajan myötä: T ∼ t −1/2

◮ Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava

◮ Hiukkasreaktiot tärkeitä aineen kollektiivisten

ominaisuuksien kannalta ⇒ ”Alkuhiukkaspuuro” jättänyt

jälkensä nykymaailmankaikkeuteen

◮ Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus,

kosmiset reliikit...

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Varhainen maailmankaikkeus ikkuna SM:n

ulkopuolelle

◮ Monet SM:n ulkopuoliset teoriat ennustavat

mielenkiintoisia ilmiöitä energioilla E ≫ E LHC

◮ Vaihtoehtoinen tutkimuslaboratorio: Kosmologia!

◮ Varhaisessa maailmankaikkeudessa lämpötila (energia)

laski ajan myötä: T ∼ t −1/2

◮ Hyvin pian t = 0:n jälkeen lämpötila valtava

◮ Hiukkasreaktiot tärkeitä aineen kollektiivisten

ominaisuuksien kannalta ⇒ ”Alkuhiukkaspuuro” jättänyt

jälkensä nykymaailmankaikkeuteen

◮ Baryoniasymmetria, nukleosynteesi, rakenteenmuodostus,

kosmiset reliikit...

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

◮ Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus

näyttää samalta joka suunnassa

◮ Hubblen laki: Kaukaiset kohteet loittonevat

meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden

etäisyyteen

◮ Maailmankaikkeus laajenee!

◮ Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä

◮ Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa:

supernovat avuksi

◮ Suuren mittakaavan rakenne

◮ Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä,

joiden välissä tyhjiä alueita

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

◮ Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus

näyttää samalta joka suunnassa

◮ Hubblen laki: Kaukaiset kohteet loittonevat

meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden

etäisyyteen

◮ Maailmankaikkeus laajenee!

◮ Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä

◮ Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa:

supernovat avuksi

◮ Suuren mittakaavan rakenne

◮ Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä,

joiden välissä tyhjiä alueita

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

◮ Homogeenisuus ja isotrooppisuus: Maailmankaikkeus

näyttää samalta joka suunnassa

◮ Hubblen laki: Kaukaiset kohteet loittonevat

meistä nopeudella, joka on verrannollinen niiden

etäisyyteen

◮ Maailmankaikkeus laajenee!

◮ Laajenemisnopeus mitataan punasiirtymästä

◮ Kosmologisten etäisyyksien määrittäminen hyvin vaikeaa:

supernovat avuksi

◮ Suuren mittakaavan rakenne

◮ Galaksit ja galaksijoukot muodostavat seinämiä ja säikeitä,

joiden välissä tyhjiä alueita

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

◮ Kosminen mikroaaltotaustasäteily (CMB)

◮ Maailmankaikkeuden täyttävä elektromagneettinen säteily,

jonka energia vastaa 2.725 K lämpötilaa

◮ Peräisin varhaisesta maailmankaikkeudesta atomien

muodostumisen hetkeltä, jolloin maailmankaikkeudesta tuli

läpinäkyvä

◮ Hyvin isotroppisessa lämpötilajakaumassa kertaluokan

10 −5 vaihtelua, joka kertoo varhaisen maailmankaikkeuden

tiheysvaihteluista

◮ NASA:n WMAP satelliitin havainnot tehneet kosmologiasta

tarkkuustiedettä

◮ Maailmankaikkeuden ikä 13.7±0.17 ×10 9 v, ”halkaisija” 93

×10 9 vv

◮ Universumin energiasisältö: tavallinen (baryoninen) aine

3%, pimeä aine 25%, loput ∼ 70% pimeää energiaa!

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Kosmologiset havainnot

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

◮ Kosminen mikroaaltotaustasäteily (CMB)

◮ Maailmankaikkeuden täyttävä elektromagneettinen säteily,

jonka energia vastaa 2.725 K lämpötilaa

◮ Peräisin varhaisesta maailmankaikkeudesta atomien

muodostumisen hetkeltä, jolloin maailmankaikkeudesta tuli

läpinäkyvä

◮ Hyvin isotroppisessa lämpötilajakaumassa kertaluokan

10 −5 vaihtelua, joka kertoo varhaisen maailmankaikkeuden

tiheysvaihteluista

◮ NASA:n WMAP satelliitin havainnot tehneet kosmologiasta

tarkkuustiedettä

◮ Maailmankaikkeuden ikä 13.7±0.17 ×10 9 v, ”halkaisija” 93

×10 9 vv

◮ Universumin energiasisältö: tavallinen (baryoninen) aine

3%, pimeä aine 25%, loput ∼ 70% pimeää energiaa!

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle

◮ Pimeä aine: näkymätön aine, joka vastaa > 80% kaikesta

materiasta

◮ Pimeä = Ei vuorovaikuta valon (fotonien) kanssa

◮ Olemassaolo päätelty mm. galaksien rotaatiokäyristä

◮ Selittäminen vaatii uutta hiukkasfysiikkaa

◮ Ehdokkaita:

◮ SM:ssa pimeät baryonit, neutriinot — liian vähän

◮ Varteenotettavin: fotonin SUSY-partneri, neutraliino

◮ Muut: aksionit, pienet mustat aukot, korkeampiulotteisten

kenttien massiiviset osat...

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle

◮ Pimeä energia: Tasaisesti jakautunut energiatiheys, jonka

paine on negatiivinen; 70% universumin energiasisällöstä

◮ Tarvitaan selittämään havaittu universumin

kiihtyvä laajeneminen

◮ Selitysmalleja:

◮ Einsteinin ”kosmologinen vakio” Λ, kaiken

täyttävä tyhjiöenergia; hiukkasfysiikassa pientä arvoa

kuitenkin vaikea selittää

◮ Muu tyhjiöenergian tapaan käyttäytyvä ”aine”

◮ Muutos gravitaatiolakiin suurilla etäisyyksillä

◮ Supernovahavaintojen virheellinen tulkinta

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Kosmologian haasteet hiukkasfysiikalle

◮ Inflaatio: Varhaisen maailmankaikkeuden

eksponentiaalinen laajeneminen

◮ Auttaa selittämään universumin havaitun isotrooppisuuden,

homogeenisuuden ja laakeuden

◮ Universumin rakenne lähtöisin inflaation aikaisista

kvanttifluktuaatioista

◮ Vaatii uutta fysiikkaa (inflatonikenttä)

◮ Yksityiskohdat vielä hämärän peitossa: N(Vaihtoehtoiset

mallit) ≈ N(Teoreetikot)

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Sisältö

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

Johdanto

Motivaatiota

Luonnon skaalat ja effektiiviset teoriat

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset

Standardimallin rakenne ja rajoitukset

Standardimallin tuolla puolen

Kosmologiaa

Varhainen maailmankaikkeus

Kosmologian käsitteistöä

Yhteenveto

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa


Yhteenveto

Johdanto

Hiukkasfysiikan Standardimalli

Kosmologiaa

Yhteenveto

◮ Teoreettinen hiukkasfysiikka pyrkimistä kohti aineen

pienimpien rakenneosasten vuorovaikutusten

ymmärrystä ja matemaattista hallintaa

◮ Lähes kaikki tähän päivään mennessä havaitut ilmiöt

selittää Standardimalli

◮ SM:n viimeinen ”puuttuva lenkki” löytymässä(?)

◮ Standardimallin ulkopuolinen fysiikka

läheisessä yhteydessä kosmologiaan

◮ Varhainen maailmankaikkeus hiukkasfysiikan laboratorio

◮ Hiukkasfysiikka välttämätontä universumin alkuhetkien

ymmärtämiseksi

◮ LHC:n myötä alalla nyt erinomaiset näkymät

Aleksi Vuorinen (Bielefeld) Hiukkasfysiikkaa ja kosmologiaa

More magazines by this user
Similar magazines