Το πείραμα BICEP2 ( Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) Δημόκριτος 3/6/2014 διάλεξη Α.Βαγιάκη Γιατί τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν από το BICEP2 στις 18/3/2014 είναι σημαντικά ; Βαρυτικά κύματα και Κβάντωση της Βαρύτητας Τι μάθαμε περαιτέρω για την δημιουργία του σύμπαντος ;

Το πείραμα BICEP2, Βαρυτικά κύματα και Κβάντωση της Βαρύτητας Στίς 18 Μαρτίου φέτος ανακοινώθηκαν αποτελέσματα απο ένα μακροχρόνιο πείραμα στην Ανταρκτική που επεδίωκε να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα και βαρυτόνια. Θα γίνει αναδρομή στο τρέχον κοσμολογικό πρότυπο και στο πως η κβαντική βαρύτητα μπορεί να ανιχνευθεί στην πόλωση του φωτός του κοσμολογικού υπόβαθρου μικροκυμάτων ( Cosmic Microwave Backround). Θα γίνει σύντομη περιγραφή του πειράματος και των δεδομένων που έχουν καλό στατιστικό σφάλμα. Αν τα δεδομένα επαληθευθούν και από άλλα πειράματα, αυξάνουν την γνώση μας για την αρχή του σύμπαντος απο τα χρόνια μετά την αρχή του Big Bang στα 10**-32 δευτερόλεπτα

Περίγραμμα παρουσίασης Περιγραφή του αποδεκτού κοσμολογικού προτύπου Τό Cosmic Microwave Background, CMB, κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) Κβαντισμός της βαρύτητας Πόλωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Το πείραμα BICEP2 Τα αποτελεσματα Βαρυτόνια (gravitons) ανιχνεύονται για πρώτη φορά

Εν αρχή ην η μεγάλη έκρηξη Το BIG BANG

Φαινόμενο Ντοπλερ, Doppler shift Μια πηγή κυμάτων η οποία κινείται προς τα αριστερά. Η συχνότητα είναι μεγαλύτερη στα αριστερά και μικρότερη στα δεξιά. Αντίστοιχα, το μήκος κύματος είναι μικρότερο αριστερά και μεγαλύτερο δεξιάσυχνότηταμήκος κύματος Για κύματα που δεν χρειάζονται ένα υλικό μέσο για τη διάδοσή τους, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά (φως) ή τα βαρυτικά κύματα στην ειδική σχετικότητα, μόνο η σχετική ταχύτητα του παρατηρητή ως προς την πηγή παίζει ρόλο ηλεκτρομαγνητικάφωςβαρυτικάειδική σχετικότητα Για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τα φωτόνια έχουν ενέργεια Ε=h*ν, όπου ν είναι η συχνότητα..

the line wavelengths are 393 & 397 nm from Ca II [ionized calcium]; 410, 434, 486 & 656 nm from H I [atomic hydrogen]; 518 nm from Mg I [neutral magnesium]; and 589 nm from Na I [neutral sodium] By measuring the amount of the shift to the red, we can determine that the bright galaxy is moving away at 3,000 km/sec, which is 1 percent of the speed of light, because its lines are shifted in wavelength by 1 percent to the red. wright/doppler.htm

Διαστολή του σύμπαντος Hubble's law ισχύει στην κοσμολογία διότι: (1) αντικείμενα που παρατηρούνται στον εξωγαλακτικό χώρο ( ~10 megaparsecs* or more) μετατόπιση Doppler που ερμήνεύεται ως σχετική ταχύτητα απομάκρυνσης από την γη. και (2),αυτή η ταχύτητα απο την μετατόπιση Doppler των γαλαξιών που απομακρύνονται απο την γή είναι περίπου ανάλογη με την απόσταση τους από την γη, για γαλαξίες που απέχουν εκατοντάδες parsecs*. Αυτό εξηγείται ως μέτρηση/παρατήρηση της διαστολής του παρατηρήσιμου σύμπαντος. * an abbreviation of the parallax of one arcsecond = light yearsparallaxarcsecond

Διαστολή του σύμπαντος Ένα ανάλογο για την διαστολή του σύμπαντος είναι η ζύμη ψωμιού με σταφίδες μέσα. Στον φούρνο η ζύμη φουσκώνει και οι σταφίδες απομακρύνονται η μία απο την άλλη γιατί όλα τα σημεία της ζύμης διαστέλλονται. Ενα άλλο πρότυπο είναι η δυδιάστατη επιφάνεια ένος μπαλονιού καθώς φουσκώνει. Όλα τα σημεία της επιφάνειας απομακρύνωνται το ένα από το άλλο. Κατ΄επέκταση, όλα τα σημεία του χώρου ήταν στην αρχη των αξόνων (0,0,0,0), [ (x,y,z,t)], βέβαια με την κλασική μηχανική.

Χρονικη εξελιξη σε γραμμικη μορφή Στο 10^-35sec η διάμετρος του σύμπαντος ήταν 10^-50 μέτρα, στο10^-34 1 μέτρο

Ακτινοβολία μέλανος σώματος black body radiation As the universe expanded, adiabatic cooling caused the energy density of the plasma to decrease until it became favorable for electrons to combine with protons, forming hydrogen atoms. This recombination event happened when the temperature was around 3000 K or when the universe was approximately 379,000 years old.expandedelectronsprotonshydrogen recombination

. The radiation is isotropic to roughly one part in 100,000: the root mean square variations are only 18 µK,isotropicroot mean square

Απεικονιση των σημειων παρατηρησης στη γη Κάθε σημείο της γης βλεπει την ουράνια σφαίρα στη απεικόνιση

CMB cosmic microwave background, peak wavelength 1.063mm This map shows a range of K from the coldest (blue) to the hottest (red) parts of the sky. Average temperature 2.725K

History of the universe

Οι δυνάμεις της φύσης είναι κβαντισμένες Η πειραματική φυσική έχει καταλήξει στο ότι υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις στην φύση Η ηλεκτρομαγνητική,(φωτόνιο), η ισχυρή (γκλουόνιο), η ασθενής ( W,Z μποζόνια), και η βαρύτητα Γνωρίζουμε οτι οι τρεις πρώτες είναι κβαντισμένες Η κβάντωση της βαρύτητας, λόγω της πολύ ασθενούς σταθεράς που την χαρακτηρίζει είναι ακόμα υποθετική.

Κβαντική βαρύτητα Η μεγάλη ομοιογένεια στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων στα χρόνια μετά το Big Bang οδηγεί στην υπόθεση ότι η κβάντωση της βαρύτητας ομογενοποίησε το αρχικό στάδιο με το inflaton = quantum fluctuations. Θεωρητικά δεν έχει λυθεί η κβάντωση της βαρύτητας εκτός με μεθόδους δανεισμένες από την κβάντωση άλλων πεδίων. Στα όρια παρουσιάζονται απειρίες. Η θεωρία των χορδών (strings) λύνει αυτά τα προβλήματα αλλά ακόμα δεν υπάρχει ένα γενικά αποδεκτό πρότυπο με χορδές που να προβλέπει μετρήσιμα μεγέθη. Η θεωρία είναι σε εξέλιξη αλλά είναι ο μόνος δρόμος να εξηγηθεί η ομοιογένεια στο αρχικό σύμπαν.

Η βαρύτητα εμφανίζεται σαν παραμόρφωση του χωροχρόνου Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται πάνω σε αυτή την παραμόρφωση Τα βαρυτόνια, με σπιν 2, έχουν διατάξεις τανυστικές στον χώρο, Το πολωμένο φως διατρέχοντας την παραμόρφωση αποτυπώνει το ανάτυπό της που είναι ανιχνεύσιμο Εξ αυτού ορμώμενοι οι θεωρητικοί της βαρύτητας πρότειναν την μέτρηση της πόλωσης στα μικροkύματα του CMB

Ενα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, στο μήκος μιας ακτίνας:

Η πόλωση ανιχνεύεται ουσιαστικά με την μέτρηση της έντασης του φωτός, δηλαδή της ενέργειας που εναποτίθεται στους ανιχνευτές.

Η πόλωση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος εκφράζεται μαθηματικά ως συνεισφορά απο τανυστή και συνεισφορά από βαθμωτό. E-mode είναι το βαθμωτό σκέλος και B-mode είναι το τανυστικό. gradient curl H πρόταση να ερευνηθεί η Β πόλωση οδήγησε στον σχεδιασμό πειραμάτων. Το BICEP2 ειναι το πρώτο που έδωσε τιμές με ακρίβεια για την πόλωση Β

Προβλήματα στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων Τά E-modes παρουσιάζονται με τις αλλαγές πυκνότητας που δημιουργούν την παρατηρημένη (μικρή) ανομοιογένεια στις θερμοκρασίες CMB. Τα E-modes μπορεί να παραμορφωθούν από την σκόνη στο διάστημα και να μιμηθούν τα B-modes. Λύση: επιλογή Νοτίου πόλου, παράθυρο καθαρότητας Η βαρυτική εστίαση δημιουργεί B modes. Λύση: ανάλυση του τανυστή της πόλωσης σε ροπές και επιλογή ροπών που αποκλείουν την βαρυτική εστίαση

Η αλλαγή της πυκνότητας της ύλης επηρεάζει την ΗΜ ακτινοβολία, E-mode. Τα βαρυτικά πεδία από βαρυτική εστίαση, και η σκόνη στο διάστημα είναι υπόβαθρο (noise) για την πόλωση Β.Και τα δύο πρέπει να εκτιμηθούν και να αφαιρεθούν

Video of BICEP2 experiment Video of BICEP2 experiment

Το Πείραμα Figure 4: Cross-sectional view of the telescope insert. The entire telescope insert assembly is cooled to 4 K by a thermal link to a liquid helium bath. The optics tube provides rigid structural support for the optical chain, including the lenses, filters, and aperture stop. The camera tube assembly houses the sub-kelvin sorption refrigerator and the cryogenic readout electronics in a radiatively and thermally protected enclosure. The sub-kelvin focal plane assembly sits within a superconducting Nb magnetic shield. The focal plane is thermally connected to the fridge via a passive thermal filter.

Το Πείραμα

Figure 3: Left: BICEP2 apodized E-mode and B- mode maps filtered to 50 2 per map mode at ℓ ≈ 70). (Also note that the E-mode and B-mode maps use different color/length scales.)

τελικά στοιχεία r= tensor to scalar Αφαιρώντας την συνεισφορα της σκόνης στο B mode : r= Η τιμή απέχει 5.9 σ απο το r=0

Συμπεράσματα BICEP2 has detected the B-mode polarization of the CMB angular Power spectrum at large angular scales corresponding to the multipoles of 30 <l<150. These multipoles correspond to cosmological scales and, hence, the observations are signatures of primordial gravitational waves. The observations of BICEP2 correspond to a rather high tensor-to-scalar ratio of r = 0.2. Importantly, the BICEP2 team concludes that a vanishing tensor-to-scalar ratio is ruled out at 7 sigma..

If inflation is indeed the mechanism that had generated these primordial gravitational waves, it implies that inflation had occurred at an energy scale of V ^1/4 = 2.1 *10^16 GeV. Also, the inflaton would have rolled over Delta(phi)= 0.6 MPl in order to generate the observed amplitude of the tensor modes.

Αναφορές για όποιον ενδιαφέρεται να μελετήσει το φαινόμενο Σύνδεσμοι για τις ανακοινώσεις όλα τα στοιχεία απο το πείραμα και η δημοσίευση waves.html?m=1 Μία ανάλυση της σημασίας των αποτελεσ,άτων από τον κοσμολόγο Liam McAllister, Cornell University. waves.html?m=1Liam McAllister