Festiwal Nauki - 2004 Politechnika Warszawska Wydział Fizyki

Krystyna Wosińska Zakład Fizyki Jądrowej Pracownia Reakcji Ciężkich Jonów

Droga Mleczna – nasza Galaktyka

Inne galaktyki... Galaktyki sfotografowane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a skierowany na „pusty” obszar nieba w Wielkiej Niedźwiedzicy.

Charakterystyczne linie widmowe pierwiastków Obserwujemy przesunięcie linii widmowych galaktyk ku czerwieni Efekt Dopplera Ucieczka galaktyk

v = H·r Prawo Hubble’a (1929): Prędkość ucieczki galaktyk rośnie wraz z odległością: v = H·r v – prędkość galaktyki r – odległość galaktyki H – stała Hubble’a

Zasada kosmologiczna: We Wszechświecie nie ma wyróżnionych miejsc. Wszechświat z każdego miejsca "wygląda" tak samo.

Wszechświat rozszerza się Szybka ekspansja – zbyt mała gęstość materii, aby grawitacja mogła powstrzymać rozszerzanie (ujemna lub zerowa krzywizna Wszechświata – Wszechświat nieskończony) Wolna ekspansja – grawitacja powstrzymuje rozszerzanie i w przyszłości spowoduje kurczenie się Wszechświata (duża gęstość materii – dodatnia krzywizna Wszechświata – Wszechświat skończony)

Wynik (2003): Wszechświat jest płaski! Pomiary promieniowania mikrofalowego wykonane przez sondę wystrzeloną 30.06.2001. Wynik (2003): Wszechświat jest płaski! http://hep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/elementy04/wyklad09.pdf

Obserwowane rozszerzanie się Wszechświata prowadzi do wniosku, że kiedyś Wszechświat był mniejszy. Wielki Wybuch Odległości między galaktykami równe zeru. Czas rozpoczął się w chwili Wielkiego Wybuchu – nie ma sensu rozpatrywać, co było przedtem. Gęstość materii nieskończona – osobliwość w równaniach matematycznych. Materia w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu w innej postaci niż obecnie.

Jakie są najmniejsze składniki materii? Co tam jest w środku...?

atom jądro proton neutron elektron kwark

Każdej cząstce odpowiada antycząstka Cząstki przenoszące oddziaływania: Elektromagnetyczne foton Słabe W+,W-,Z0 Silne gluon Każdej cząstce odpowiada antycząstka

Uwięzienie kwarków Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością. Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie). mezon D- mezon D+ mezon c Zamiana energii na masę

Jak wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową? Zwiększyć: ciśnienie temperaturę Takie warunki panowały we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu

Historia Wszechświata Nie potrafimy opisać Wszechświata w tej fazie. Wszechświat rozszerza się bardzo szybko. Nierozróżnialne oddziaływania są w równowadze z materią i antymaterią. Temperatura 1032 K

Historia Wszechświata Dalsze rozszerzanie – maleje gęstość i temperatura. Oddziaływanie silne oddziela się od oddziaływań elektrosłabych. Materia w postaci plazmy kwarkowo-gluonowej. Temperatura 1027 K

Historia Wszechświata Kwarki łączą się w protony i neutrony. Antymateria zaczyna zanikać - promieniowanie ma zbyt małą energię, aby ją wytwarzać. Temperatura 1010 K

Historia Wszechświata 3 minuty Protony i neutrony tworzą lekkie jądra (D, He, Li). Ustala się zawartość lekkich izotopów we Wszechświecie. Temperatura 109 K

Historia Wszechświata 300 000 lat Powstają atomy – elektrony zostają wychwycone przez jądra. Materia staje się przezroczysta dla fotonów. Z tego okresu pochodzi obserwowane obecnie promieniowanie reliktowe. Temperatura 6000 K

Historia Wszechświata 1 000 000 lat Powstawanie galaktyk i gwiazd. Synteza jądrowa w gwiazdach – powstawanie pierwiastków ciężkich. Temperatura 18 K

Historia Wszechświata 13 700 000 lat Chwila obecna Temperatura 2,7 K

Jak możemy zweryfikować teorię Wielkiego Wybuchu?

Plazma kwarkowo-gluonowa Wczesny Wszechświat Temperatura, K Tc=31012 K Gwiazdy neutronowe 1 10 Względna gęstość materii jądrowej

Zderzenia jąder o wielkich energiach – wytwarza się stan materii o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. czas Emisja cząstek Gaz hadronowy Faza mieszana Plazma kwarkowo-gluonowa Stan przedrównowagowy przestrzeń

RHIC - Relativistic Heavy IonCollider Brookhaven National Laboratory, Long Island (USA) Eksperyment rozpoczęty w 2000 roku RHIC - Relativistic Heavy IonCollider (Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów)

Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła. Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4,5 K.

RHIC Energia zderzenia Ecms = 200 GeV Tysiące zderzeń na sekundę Podczas zderzenia wytwarza się temperatura 10 000 razy wyższa niż na Słońcu W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W. uczestniczy w eksperymencie STAR

Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC Rejestracja cząstek Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC

Rejestracja cząstek

Ekperyment STAR E = mc2 Zamiana energii w masę

W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... W zderzeniu dwóch jąder ołowiu... ...mogą powstać nowe cząstki zwane J/PSI http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html

W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... Jeśli w zderzeniu powstanie plazma kwarkowo-gluonowa, to niektóre cząstki J/PSI ulegną zniszczeniu, za to powstaną inne cząstki – kwarki dziwne. Pojawi się też więcej cząstek rozpadających się na pary elektronowe. Badając, ile i jakich cząstek powstało w zderzeniu, możemy stwierdzić, czy uformowała się plazma kwarkowo-gluonowa i jak ewoluowała. Niestety, wyniki nie są jednoznaczne... http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html

Thomas K Hemmick, Stony Brook University Quark Matter 2004, Oakland CA ośrodek? brak ośrodka Medium? No Medium! Nucleus- nucleus collision Proton/deuteron Zderzenie jądro-jądro Zderzenie proton-deuteron Thomas K Hemmick, Stony Brook University Quark Matter 2004, Oakland CA

KONIEC poszukiwań plazmy kwarkowo-gluonowej The END of searching for the QGP POCZĄTEK badania jej własności The BEGINNING of measuring its properties 12D Correlations Heavy Quarks Direct Photons Leptons and its relation to CGC Miklos Gyulassy, Columbia University Quark Matter 2004, Oakland CA

Następne przygotowywane eksperymenty: LHC (Large Hadron Colider) – 2007r. Wielki Zderzacz Jonów CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja)

Eksperyment ALICE

Nowe możliwości badania materii RHIC LHC Energia (GeV) 200 Liczba rejestrowanych cząstek 850 Temperatura (T/Tc) 1,9 Gęstość energii (GeV/fm3) 5 Czas „życia” plazmy 2 - 4 kwarkowo-gluonowej (fm/c) 5500 28 razy 1500-8000 ? 3,0-4,2 goręcej 15-60 gęściej  10 dłużej Quark Matter 2004, Oakland CA Yves Schutz

Eksperyment ALICE 937 naukowców 77 instytutów 28 krajów Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W.