Физика частиц и космология Дмитрий В. Наумов, ОИЯИ 25 июня 2012, Дубна Содержание лекции Структура вещества и 4 вида взаимодействий Зоопарк частиц и элементарные частицы Силы и переносчики взаимодействия Объединение взаимодействий Успехи Стандартной Модели Что такое космология? Краткая история Вселенной Из чего состоит Вселенная? Недостатки Стандартной Модели Дальнейшие пути развития

Структура вещества

4 типа взаимодействий электромагнитное слабое гравитационное сильное

Зоопарк частиц Фермионы Лептоны e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ Кварки u, c, t d, s, b Бозоны Фотоны, W ±, Z, глюоны, поле Хиггса Частицы составные из кварков p, n, Λ, Σ, Ξ, Λ c …π, K, ρ, η, ω, D,… Сотни частиц, собранные в PDG:

Силы и переносчики взаимодействия

Объединение взаимодействий Электричество, магнетизм и оптика объединены в одну теорию электромагнетизма Максвеллом Электромагнетизм и слабое взаимодействие объединены в одну Электрослабую теорию Глэшоу, Вайнбергом и Саламом Электрослабая теория + квантовая хромодинамика = Стандартная Модель (объединение лишь формальное) Из трех размерных фундаментальных констант h = постоянная Планка с = скорость света G = постоянная Ньютона Строятся Планковские переменные: длина: l p = (h G/c 3 ) 1/2 = см время: t p = (h G/c 5 ) 1/2 = сек масса: m p = (h G) 1/2 = г На этом масштабе ожидается ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ Всех взаимодействий

Успехи Стандартной Модели Экспериментальное и теоретическое значения магнитного момента электрона согласуются на уровне СМ описывает огромный объем экспериментальных данных в современной физике частиц В СМ не хватает пока последнего кирпичика – бозона Хиггса (ищут прямо сейчас на БАК) И все же СМ не окончательная теория! Этому нас учит, в первую очередь космология

Что такое космология? Космология – это наука о Вселенной, о ее эволюции от начала до сегодняшнего дня (и далее). Космология «стыкует» всю физику от масштабов см до см: Квантовая физика, Физика элементарных частиц Гравитация

Что говорит нам Космология об истории Вселенной? Вселенная расширяется сейчас – звезды тем краснее, чем они от нас дальше, а значит: Вселенная не была вечной! Она родилась около 13.7 млрд лет назад ( Возраст Солнца – 4.6 млрд лет, возраст Земли млрд лет ) – Что произошло 13.7 млрд лет назад? И как об этом узнали сегодня? На больших масштабах (около 100 Мпк) Вселенная очень однородна со средней плотностью около г/см 3 Полный вес Вселенной тонн Число атомов во Вселенной Число звезд (3-100) х в 80 млрд галактик. Вес в момент рождения согласно – Бесконечен (теория Большого Взрыва (БВ)) – Меньше миллиграмма (инфляционная теория) Вся энергия Вселенной равна НУЛЮ!

Из чего состоит Вселенная?

То, из чего сделаны мы сами и все вокруг дает вклад в плотность энергии во Вселенной всего лишь на уровне 4.5% Остальное: Темная материя и Темная энергия Не известно, что такое! Вопрос: Но как об этом узнали? Ответ: Реликтовые фотоны!

Краткая история Вселенной

Первые три минуты Время жизни нейтрона зависит от параметров СМ: Τ n ~ M W 4 /(m n -m p ) 5 достаточно, например, M W = 80 ГэВ M W = 53 ГэВ или m n -m p = 1.3 МэВ m n -m p = 1.79 МэВ Чтобы нейтрон жил меньше 3 минут вместо 15 минут сегодня!

Со всех направлений микроволновое излучение одинаково, с одной и той же температурой Т=2.7К. Откуда оно? Это замороженный свет, оставшийся после лет после БВ Вселенная с тех пор расширилась в 3000/2.7 = 1100 раз

Анизотропия реликтового излучения Удивительно, но «одинаковость» температуры света справедлива только с точностью до К

Можно ли УВИДЕТЬ звуковые колебания Вселенной? Сжатый газ нагревается Флуктуации температуры

Кривизна пространства и полная энергия Вселенной Кривизну пространства можно измерить сделав 4 равных шага, каждый раз поворачивая налево на 90 0 Кинетическая энергия Потенциальная энергия = >1 Сферическая, открытая Вселенная =1 Плоская Вселенная

Откуда анизотропия? Кривизна пространства может быть измерена!

Теоретические ожидания лет За время жизни Вселенной размер вырос в 1100 раз Время жизни Вселенной Угловой размер = = 1100* лет/ лет = = 0.03 радиана = 1 градус Если кривизна сферическая > 1 градуса Если кривизна гиперболическая < 1 градуса

Угловой размер

Недостатки Стандартной Модели o В СМ нет разумного кандидата на роль темной материи и темной энергии o СМ не может описать тот факт, что вещества во Вселенной больше, чем анти-вещества o Поле бозона Хиггса даст вклад в плотность энергии во Вселенной много больший, чем сегодняшнее число o Большое (больше 20) число свободных параметров Еще вопросы: o За время эволюции Вселенной плотность материи уменьшилась в раз. Почему сегодня плотность материи и плотность энергии вакуума одного порядка? Случайно ли это? o Почему у вакуума не нулевая плотность энергии?

Дальнейшие пути развития М.Планк: Я хочу заниматься теоретической физикой Ф.Жолли: Не надо! Она уже, в основном, построена. Осталось заделать мелкие проблемы Работа М.Планка положила начало квантовой механики За последние лет получены новые фундаментальные знания об эволюции и свойствах Вселенной Стандартная Модель очень успешно описывает почти все экспериментальные данные на Земле, однако, она не полна, когда речь идет о космологии Возможно, мы стоим на пороге важных открытий в физике. Будущие Открытия – дело молодых!

Список литературы и ссылок в интернете Planck project WMAP Mission: SuperNova Cosmology Project

Космология. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1986, с. 90. Вайнберг С. Первые три минуты. М.: Энергоиздат, Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М.: МГУ, Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М.: Наука, Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, Список литературы и ссылок в интернете

D.Scramm and M.S. Turner, ``Big Bang enters the precision era'', RMP70(1998)0303 В.Л.Гинзбург, О некоторых успехах физики и астрономии за последние три года, УФH172(2002)0213 В.А.Рубаков, ``Физика частиц и космология: состояние и надежды, УФН169(1999)1299 S.Sarkar, ``Big bang nucleosynthesis and physics beyond the standard model'',RPP59(1996)1493 M.Turner, J.Tyson, ``Cosmology at the millenium'',RMP71(1999)S145 Dolgov, Ya.Zeldovich, ``Cosmology and elementary particles'',RMP53(1981)0001 A.Dolgov, ``Neutrinos in Cosmology'',PR370(2002)333 M.Maggiore, ``Gravitational Wave Experiments...'',PR331(2000)283 V.L. Ginzburg, ``What problems of physics and astrophysics...'', PhU042(1999)0353 I.L.Rozental, ``Elementary particles and cosmology'', PhU40(1997)0763 V.A. Rubakov, M.E.Saposhnikov, ``Electroweak baryon number non-conservation...'', PhU039(1996)0461 J.Ellis, ``Astropartical Physics: A personal outlook'', NPB48(1996)522 J.Ellis, ``Particles and Cosmology'',NPB35(1994)005 J.M.Uson, ``General Cosmology: Overview and outstanding problems'',NPB28A(1992)017 L.Jauneau, ``Introduction to Gravity and Cosmology'', LAL88-41 M.Kutschera, ``Introduction to Physical Cosmology'', INP-1659-PH P.Olesen, ``An introduction to cosmology'',ESHEP(1997)220 astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , gr-qc/ gr-qc/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-th/ , hep-th/ hep-th/ Список литературы и ссылок в интернете

Возможные темы для рефератов 1) Темная энергия 2) Темная материя 3) Кривизна Вселенной 4) Нуклеосинтез 5) Бариогенезис 6) Квазары 7) Реликтовое излучение 8) Анизотропия реликтового излучения 9) Крупно-масштабные структуры 10) Как образуются галактики 11) Почему светят звезды? 12) Взрыв звезды сверхновая 13) Теория Большого взрыва. Успехи и проблемы 14) Инфляционная Модель