2. Rész A kozmikus háttérsugárzás

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "2. Rész A kozmikus háttérsugárzás"

László Nagy
9 évvel ezelőtt
Látták:

1 2. Rész A kozmikus háttérsugárzás

2 A kozmikus sugárzás felfedezése 1965: A. Penzias és R. Wilson (Bell Lab) érzékeny mikrohullámú antennája

3 A kozmikus sugárzás 1965: A. Penzias és R. Wilson érzékeny mikrohullámú antennát készített, amellyel iránytól napszaktól, évszaktól független elektromágneses sugárzást észleltek Az antenna hibáját kizárták (Még a véletlen felfedezéshez is elengedhetetlen a pontosság!) Mi lehet a titokzatos sugárzás forrása?

napszaktól, évszaktól független elektromágneses sugárzást észleltek Az

4 A kozmikus sugárzás 1965: A. Penzias és R. Wilson érzékeny mikrohullámú antennája iránytól napszaktól, évszaktól független elektromágneses sugárzást észleltek Az antenna hibáját kizárták Mi lehet a titokzatos sugárzás forrása? Penzias és Wilson mérése szerint a sugárzás hőmérséklete 3,5 K (10. kérdés: Mit jelent ez?) Mi már sejtjük, nekik P.J.E. Peebles sugallta: A VE-t az első perceiben elektromágneses sugárzás töltötte ki, ami azóta is ott van, csak hullámhossza a tágulás arányában megnőtt Peebles becslése: a sugárzás hőmérséklete 10K

kizárták Mi lehet a titokzatos sugárzás forrása? Penzias és Wilson mérése szerint a sugárzás hőmérséklete 3,5 K (10.

5 A hőmérsékleti sugárzás intenzitásának hullámhosszfüggése intenzitás hullámhossz ~10cm alatt a légkör átlátszatlanï Fölről csak az eloszlás maximumától jobbra eső rész mérhető

6 A FIRAS (spektrofotométer a CoBE-n) spektrum A valaha látott legtökéletesebb hőmérsékleti sugárzási spektrum

7 A CoBE által mért sugárzási görbe hullámhossz sugárzás intenzitása Planck-görbe frekvencia

8 A CMB spektrum A valaha látott legtökéletesebb hőmérsékleti sugárzási spektrum

9 A FIRAS (spektrofotométer a CoBE-n) spektrum A hőmérsékleti sugárzás spektrumát a Planckféle eloszlás írja le n ( ) 4 3 kt x dx h x ( ch) 3 x e 1 kt dε ( ν, T ) = 8π, = γ = ( ) ( ) 3 ν kt = 8π ( ) 3 ch 2 dε x dx 6 γ = x 3 hν e 1 m 0 0 H atom ρc 5 3 m A nukleáris részecske/foton arány (jegyezzük meg!) η = ν ( 9 1) 10 ±

8π, = γ = ( ) ( ) 3 ν kt = 8π ( ) 3 ch 2 dε x dx 6 γ = 413 10 x 3 hν e 1 m 0 0 H

10 Izotrópnak látta-e a COBE VE-t? A Tejút hatását le kell vonni

11 Izotrópnak látta-e a COBE VE-t? A dipólus anizotrópia a Föld mozgásának következménye (szintén le kell vonni)

12 A COBE felfedezése A piros és kék tartományok hőmérséklet különbsége 10-5 K (0,01mm-es hullámok az uszodában)

13 Nobel-díj átadás december 10. A Fizikai Nobel-díj érme: Inventas vitam juvat excoluisse per artes Kik felfedezéseikkel jobbítják a világot

14 Fizikai Nobel-díj 2006 John C. Mather George F. Smoot (NASA GoddardŰrközpont) (Californiai Egyetem, Berkeley) a kozmikus háttérsugárzás Planck-formájának és irányfüggésének felfedezéséért

15 A COBE felfedezése Hogyan lehet ezt a képet mennyiségileg megragadni?

16 Előbb azonban Az EM plazma hasonlóan átlátszatlan, mint a felhő, amely szétszórja a Nap fényét

17 Hogyan,,láthatnánk az EM plazma mögé? Modellt alkotunk, amelynek a mai VE-re vonatkozó jóslatait össze kell vetni a valósággal (igy következtetett Peebles arra, hogy a VE-t EM sugárzás töltötte ki) ez az Ősrobbanás modellje A VE végtelen sűrű, forró anyaggal kitöltött kicsi térben született, és a kezdőpillanat óta tágul. Kevéssel a születése után voltak kezdeti pillanatok, amikor a VE milliárdszor forróbb volt, mint most - ekkor még az atommagok sem lehettek stabil képződmények A korai VE-ben lejátszódó folyamatokat az elemi részecskék fizikája írja le!

sugárzás töltötte ki) ez az Ősrobbanás modellje A VE végtelen sűrű, forró anyaggal kitöltött kicsi térben született, és a kezdőpillanat óta

18 Mikor keletkeznek az atommagok? 11. kérdés: Miért vasból van a Föld magja?

Könnyű elemek atommagjainak keletkezése Z < 6 rendszámú elemek: H [p, d=(pn), t=(pnn)], He [(ppn), (ppnn)],li, Be, B akkor keletkeznek, amikor az EM plazmában található legnagyobb energiájú fotonok

19 Könnyű elemek atommagjainak keletkezése Z < 6 rendszámú elemek: H [p, d=(pn), t=(pnn)], He [(ppn), (ppnn)],li, Be, B akkor keletkeznek, amikor az EM plazmában található legnagyobb energiájú fotonok hν energiája kisebb, mint a keletkező deuteronok kötési energiája ekkor T = 900 MK; az érték η-tól függ kérdés: 1.2 Hol kezdődik a 1 Planck-görbe farka, 0.8 amely alatti terület része a teljes 0.4 görbe alatti 0.2 területnek?

a keletkező deuteronok kötési energiája ekkor T = 900 MK; az érték η-tól függ 1.4 12. kérdés: 1.

20 Könnyű elemek atommagjainak keletkezése Z < 6 rendszámú elemek: H [p, d=(pn), t=(pnn)], He [(ppn), (ppnn)],li, Be, B akkor keletkeznek, amikor az EM plazmában található legnagyobb energiájú fotonok hν energiája kisebb, mint a keletkező deuteronok kötési energiája ekkor T = 900 MK; az érték η-tól függ A hőmérséklet megszabja a protonok és neutronok egymáshoz viszonyított arányát (keletkezéskor közel azonos, de a n bomlik) 13. kérdés: Miért a semleges n bomlik töltött p- ba? Ősi d, He, Li atommagok hidrogénhez viszonyított tömegaránya egyetlen η értékkel megmagyarázható

érték η-tól függ A hőmérséklet megszabja a protonok és neutronok egymáshoz viszonyított arányát (keletkezéskor közel azonos, de a n bomlik) 13.

21 A könnyű elemek előfordulási gyakorisága a pontosság nem nagyon meggyőző - lehet-e pontosabb mérési eredmény? η=η

22 A választ a COBE felfedezése adja Hogyan lehet ezt a képet mennyiségileg megragadni?

23 Egy kis hangtan A hangokat három fizikai tulajdonsággal jellemezzük: hangerősség Ø hangrezgések amplitudója hangmagasság Ø hangrezgések frekvenciája hangszín Ø spektrum (az előző kettő) Ø

Egy kis hangtan A hangokat három fizikai tulajdonsággal jellemezzük: hangerősség Ø hangrezgések amplitudója hangmagasság Ø hangrezgések

24 Egy kis hangtan A hangokat három fizikai tulajdonsággal jellemezzük: hangerősség Ø hangrezgések amplitudója hangmagasság Ø hangrezgések frekvenciája hangszín Ø spektrum (az előző kettő) A COBE mérései nem elegendően pontosak Ø Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Ch. Bennet June 30, 2001

25 A WMAP hőmérsékleti térképe Föld Világegyetem 13 milliárd éve kezdte az útját a maradványsugárzás. Útja alatt a Világegyetem tágult, a hullámhosszak növekedtek, jelenleg a mikrohullámnál (~1mm) van a maximum.

26 A COBE és a WMAP térképe

27 A kozmikus zene hangszíne (a háttérsugárzás hatványspektruma) Az első csúcs helye Ω-tól függ A magasság ΩB függvénye l 2 T = m al m ( ϑ, ϕ) a Y ( ϑ, ϕ) lm lm lm

28 A kozmikus zene hangszíne (a háttérsugárzás hatványspektruma)

29 BBN jóslatok és a mérések: WMAP előtt

30 BBN jóslatok és a WMAP jóslat η10 = 6,14 ± ΩB = 0,0432 ± 0,25 0,0018 Ω lum = 0,0033 Ω m = 0,25 Ω =1 Sötét anyag, Sötét energia is létezik!

31 Mi lehet a sötét anyag? VE-ben keressük: Barionikus bolygók fehér törpék MACHO-k (Massive Compact Halo Object): barna, fekete törpék, neutroncsillagok, fekete lyukak gázfelhők atommagszintézis, CMB: Ω B ~0,04 < Ω DM ~0,22 Laboratóriumban keressük: Nem barionikus (ismeretlen), gyengén hat kölcsön a barionikus anyaggal forró (közel fénysebességű, HDM): neutrínók (kevés) hideg (lassú, CDM): Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) Részecskefizikusok kedvence, de egyelőre nem sikerült találni Netalán a gravitáció módosul nagy skálán?

32 HSA (CDM) részecskejelöltek (WIMPek) Szükséges egy kétértékű megmaradó mennyiség (D-szimmetria): D = +1 SM részecskék esetén D = -1 újfajta részecskék esetén A legkönnyebb D = -1 részecske stabil Ha elektromosan semleges, tömege > GeV/c 2 akkor lehetséges SA jelölt, pl.: jelölt spin nyugalmi energia inert Higgs 0 50 GeV LSP (neutralínó) ½ 10 GeV-10TeV Kaluza-Klein részecske ½ TeV

33 Legnépszerűbb WIMP: LSP D = R = (-1) 3(B-L)+2S R = +1 SM részecskékre R = -1 s-részecskékre R-paritás Ha a legkönnyebb s-részecske semleges (neutralínó), akkor SA jelölt Az ilyen s-részecske közvetve felfedezhető az LHC-n (hiányzó energia a jele) Egy minimális lehetőség: inert Higgs A SM Higgs-mechanizmus minimális kiterjesztése feltételezett D-szimmetriával A D = -1-es Higgs-részecske az SA jelölt (fermionokkal nem hat kölcsön)

34 Hubble törvény kísérleti ellenőrzése m-m Sötét energia? vöröseltolódás Megerősíti, Ω-Ω m -Ω B -Ω L 0.74

Megválaszolatlan kozmológiai kérdések amelyekre a részecskefizika adhat választ Miért kritikus a sűrűség? Honnan származik az anyag? Kezdetben anyag és antianyag feltehetően ugyanannyi volt.

35 Megválaszolatlan kozmológiai kérdések amelyekre a részecskefizika adhat választ Miért kritikus a sűrűség? Honnan származik az anyag? Kezdetben anyag és antianyag feltehetően ugyanannyi volt. Valami miatt ez a szimmetria megsérült. A VE tágulásával az anyag és antianyag EM sugárzássá alakult át, és visszamaradt egy kevés anyag (kb. egymilliárd fotonra jut egy proton) Mi a VE finomszerkezetének forrása? Mi a sötét anyag? Mi a sötét energia?

36 Köszönöm a figyelmet! Magyar nyelvű letölthető irodalom (képek nélkül): univerzum.pdf Az előadás pdf anyaga megtalálható az Indicon: kérdés: Hány éves a kapitány?

Hasonló dokumentumok

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon

Trócsányi Zoltán. Kozmológia alapfokon Magyar fizikatanárok a CERN-ben 2007. augusztus 12-19. Trócsányi Zoltán Kozmológia alapfokon Részecskefizikai vonatkozásokkal l úl d á d Az elmúlt negyedszázad a mikro- és makrokozmosz fizikájának összefonódását