το Είναι και το Γίγνεσθαι Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής

Παρουσίαση με θέμα: "το Είναι και το Γίγνεσθαι Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 το Είναι και το Γίγνεσθαι Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής
Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις το Είναι και το Γίγνεσθαι Γιώργος Κ. Φανουράκης Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»

2 Θεμελιώδη ερωτήματα Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας;
Ποιοι είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης, δηλ. ποια είναι τα στοιχειώδη σωματίδια; Πώς συνδέονται οι δομικοί λίθοι μεταξύ τους, για να συγκροτήσουν την ύλη; ή αλλιώς: ποιες είναι οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις;

3 Δεν υπάρχει ένδειξη περαιτέρω δομής
Η δομή της Ύλης ; ? 10-15 m < m πρωτόνιο κουάρκ 10-10 m άτομο Τhe ψθρρεντ answer is that we don’t know of any deeper levels. Attempts have been made to find further sub-structure, but if such objects do exist they are smaller than m. Δεν υπάρχει ένδειξη περαιτέρω δομής 10-14 m πυρήνας

4 Πως βλέπουμε ? γ 25 cm Δx Το φως ανακλάται στο αντικείμενο (σκεδάζεται) και εισέρχεται στα μάτια μας. Εστιάζεται στον αμφιβληστροειδή που περιέχει φωτοευαίσθητα κύτταρα. Ο εγκέφαλος επεξεργάζεται και ερμηνεύει τα οπτικά ερεθίσματα. Η διακριτική ικανότητα του ματιού εξαρτάται από τα στοιχεία του και μας επιτρέπει να ξεχωρίζουμε αντικείμενα μεγέθους κουκίδας.

5 γ 25 cm Δx Για n=1.33, λ=500nm, ακτίνα κόρης α=0.5mm,  γ = 6x10-5 Δx=10 μm Κύτταρα (~10μm) σαν κουκκίδες Για n=1, θ=70ο, λ=500nm  Δx = 0.3 μm = 300 nm ~λ/2 Διακρίνουμε λεπτομέρειες στα κύτταρα (~10μm) και στα βακτήρια (0.8-3μm)

6 Περισσότερη λεπτομέρεια; Η διακριτική ικανότητα ανάλογη του λ !!
Η ενέργεια ενός κβάντου φωτός (Planck) Το μέσο του ορατού φάσματος λ = 500 nm  Ε ~ 2.48eV Με μικροσκόπιο μπορούμε να φτάσουμε σε Δx ~ 1 μm Πως όμως θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε πιο μικρά αντικείμενα (π.χ. ιούς μεγέθους nm) ;;;;;;

7 Ο De Broglie έκανε την σύνδεση σωμάτιο-κύμα και ισχυρίστηκε πως:
Η διακριτική ικανότητα ανάλογη του λ !! Αν χρησιμοποιήσουμε φως μικρότερου μήκους κύματος θα δούμε περισσότερη λεπτομέρεια. …..και αν θέλουμε να παρατηρήσουμε ακόμη μικρότερα αντικείμενα; Ο De Broglie έκανε την σύνδεση σωμάτιο-κύμα και ισχυρίστηκε πως: ένα υλικό σωματίδιο είναι ένα κύμα με: λ = h/p Ένα ηλεκτρόνιο με ταχύτητα 1% της ταχύτητας του φωτός έχει λ ~ 0.07 nm Επιταχύνοντας σωματίδια αποκτούν μεγάλες ορμές (μεγάλες ενέργειες) και επιτυγχάνομε πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα.

8 Τι λέει η Κβαντική Φυσική;
Το ότι χρειαζόμαστε μεγαλύτερες ορμές (δηλαδή μεγαλύτερες ενέργειες) για να «δούμε» περισσότερη λεπτομέρεια είναι απόρροια της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg. Δηλαδή όταν θέλουμε πολύ μικρό Δx, απαιτείται μεγάλο Δp επομένως μεγάλες ορμές. Για να διερευνήσεις μικρές αποστάσεις χρειάζεσαι μεγάλες ενέργειες

9 Ηλεκτρόνιο κινούμενο με ταχύτητα V
γ 1.15 7.08 22.37 2000.0 V = 1% της ταχύτητας του φωτός = 0.01c V = 50% “ “ = 0.50c V = 99% “ “ = 0.99c V = = c V = = c Ενέργεια Ηλεκτρονίου

10 ; Ισχυρότεροι Επιταχυντές Σωματιδίων Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Ενέργειες keV ; Ισχυρότεροι Επιταχυντές Σωματιδίων Ενέργειες GeV 1fm = 10-15m

11 Ο πιο γνωστός γραμμικός επιταχυντής σωματιδίων
Let me say just a little about particle accelerators. You are all familiar with one - the television set. In a television electrons are boiled off a piece of metal by heating it and then accelerating them through a potential of about 20,000 volts (which is why you are advised not to poke you fingers in the back of a television). They are focused and directed to the screen by electric and magnetic fields where they produce the picture by making materials of the screen fluoresce. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι περίπου 20keV 11

12 Ο Επιταχυντής LEP The largest accelerator at CERN is called is called ‘LEP’ - Large Electron Positron collider, shown very schematically here. In recent years, together with other members of our group, I have been using LEP for experiments. It contains very similar elements to a television set, including some 3,000 magnets to steer the particles in a circular path, and acceleration devices. The vacuum pipe containing the particles is a few cm in diameter and 27km in circumference. A marvellous feature of this machine is that electrons go in one direction and positrons travel in the opposite direction because of their opposite charge and identical mass. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων ήταν περίπου 100GeV 12

13 LEP In a tunnel roughly 50m underground the particles are accelerated to an energy of about 100 billion electron volts compared to the 20,000 electron volts in our televisions. Travelling at close to the speed of light take about 100ms to make one circuit. 13

14 Οι ανιχνευτές: τα ‘αισθητήρια’ όργανα του μοντέρνου μικροσκοπίου
Τι χρειάζεται να κάνει ένας ανιχνευτής; Πρέπει να καθορίσει: Τι σωματίδια βλέπουμε; Από πού ήρθαν και πού πάνε; Ποια είναι η ενέργεια και η ορμή τους; Ώστε να καταλάβουμε: Τι συνέβη στη σύγκρουση μεταξύ των σωματιδίων; Παράχθηκε κάτι σημαντικό;

15 Οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων
Σύγκρουση σωματιδίου με ένα πρωτόνιο του Υγρού Υδρογόνου σε ένα «Θάλαμο φυσαλίδων»

16 Τροχιοδεικτικός Ανιχνευτής
Βασίζεται σε ηλεκτρονικά σήματα Πολλά λεπτά στρώματα αισθητήρων π.χ πυριτίου

17 Θερμιδόμετρο (μετρητής Ενέργειας)
Ο συνολικός αριθμός σωματιδίων είναι ανάλογος της ενέργειας του εισερχόμενου σωματιδίου Το ρόζ υλικό παράγει ηλεκτρονικό σήμα ανάλογο του αριθμού των φορτισμένων σωματιδίων που το διασχίζουν

18 Η πρόκληση για τους μοντέρνους ανιχνευτές
Μερικές φορές τα «σημαντικά» πράγματα διασπώνται σε ελαφρύτερα (σταθερά) σωματίδια Πρέπει να εστιάσουμε στα σταθερά σωματίδια και να διερευνήσουμε για το τι στ’ αλήθεια συνέβη Δεν γνωρίζουμε αυτά που ψάχνουμε! Τα «ενδιαφέροντα» πράγματα που ψάχνουμε είναι πολύ σπάνια Πρέπει να κάνουμε εκατομμύρια συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο! Πρέπει να τα επιλέξουμε και να «πετάξουμε» τα γνωστά γεγονότα σε πραγματικό χρόνο

19 Η σύγκριση με την θεωρία
Ακολουθεί η σύγκριση με την ισχύουσα θεωρία και η επιβεβαίωση της ή όχι. Αν υπάρχει διαφωνία και αυτή είναι σοβαρή η θεωρία απορρίπτεται αλλιώς επιδέχεται διόρθωσης. Μια σημαντική διαδικασία είναι η πειραματική μέτρηση των παραμέτρων της θεωρίας Η ακριβής μέτρηση των παραμέτρων επιτρέπει την χρήση της θεωρίας για νέες προβλέψεις!

20 Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Κ.Π.)
Κβαντική Ηλεκτροδυναμική Θεωρία Ασθενών Αλληλεπιδράσεων οργανώνει Κβαντική Χρωμοδυναμική

21 Το καθιερωμένο πρότυπο - τα στοιχειώδη Σωματίδια
Οι φορείς της αλληλεπίδρασης (δύναμης) Υπεύθυνο για τις μάζες H g Ηλεκτρομαγνητική Ισχυρή Ασθενής G Βαρύτητα W,Z Δεν ανήκει στο ΚΠ Τα συστατικά της ύλης t m e b s c d u nt nm ne quarks leptons 1η 2η 3η Γενιές: αναζητείται

22 αλληλεπίδραση = ανταλλαγή μποζονίου

23 αλληλεπίδραση = ανταλλαγή μποζονίου δυνητικό (virtual) φωτόνιο
x t δυνητικό (virtual) φωτόνιο A Feynman diagram for the electromagnetic interaction between two electrons. In this simple case, a photon is the field particle that mediates the electromagnetic force between the electrons. The photon transfers energy and momentum from one electron to the other in the interaction. Such a photon, called a virtual photon, can never be detected directly because it is absorbed by the second electron very shortly after being emitted by the first electron. The existence of a virtual photon might be expected to violate the law of conservation of energy, but it does not because of the time–energy uncertainty principle. Recall that the uncertainty principle says that the energy is uncertain or not conserved by an amount ΔE for a time Δt such that ΔΕ Δt ~ ħ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗ ΦΩΤΟΝΙΟΥ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗ ΓΛΟΙΟΝΙΟΥ

24 Το κβαντικό κενό ... είναι κενό;
Για τον φυσικό του 21ου αιώνα το κενό είναι η βασική (η ενεργειακά χαμηλότερη) κατάσταση του κβαντικού συστήματος. δανεισμένη, για χρόνο Δt, ενέργεια ΔΕ φτιάχνει ζεύγη σωματιδίων - αντισωματιδίων Επίσης το κενό περιέχει συμπυκνώματα (condensates) πεδίων, δηλαδή την βασική τους κατάσταση που έχει μη μηδενική ενέργεια (παράδειγμα το πεδίο Higgs)

25 Το φαινόμενο Casimir – δύναμη από το κενό
Διακυμάνσεις στο κενό ενισχύονται αν η απόσταση d είναι ακέραιο πολλαπλάσιο ημιμήκους κύματος Κατά μέσο όρο η εξωτερική ακτινοβολία υπερέχει της εσωτερικής F=A/d4 Για μεταλλικούς καθρέφτες 1cm2 σε απόσταση 1μm η δύναμη είναι ~10-7 Ν (το βάρος μιας σταγόνας με διάμετρο .5mm). It was the Dutch theoretical physicist Hendrik Casimir ( ) who first realized that when two mirrors face each other in a vacuum, fluctuations in the vacuum exert "radiation pressure" on them. Consider the gap between two plane mirrors as a cavity. All electromagnetic fields have a characteristic "spectrum" containing many different frequencies. In a free vacuum all of the frequencies are of equal importance. But inside a cavity, where the field is reflected back and forth between the mirrors, the situation is different. The field is amplified if integer multiples of half a wavelength can fit exactly inside the cavity. This wavelength corresponds to a "cavity resonance". At other wavelengths, in contrast, the field is suppressed. Vacuum fluctuations are suppressed or enhanced depending on whether their frequency corresponds to a cavity resonance or not. On average the external pressure (red arrows) is greater than the internal pressure (green arrows). Both mirrors are mutually attracted to each other by what is termed the Casimir force. The force F ~ A/d4, where A is the area of the mirrors and d is the distance between them. Για καθρέφτες 1cm2 σε απόσταση 10 nm ασκείται πίεση μιας ατμόσφαιρας !!! Η δύναμη Casimir μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα σε νανοδομές και μικροηλεκτρομηχανικά (ΜΕΜs) συστήματα.

26 Το καθιερωμένο πρότυπο - οι θεμελιώδεις Δυνάμεις
Ηλεκτρομαγνητική δύναμη Ισχυρή Πυρηνική Δύναμη Ισχύς: 1 Εμβέλεια: m Ισχύς: 1/137 Εμβέλεια: άπειρη Βαρύτητα Ασθενής Πυρηνική Δύναμη ; Ισχύς: 10-6 Εμβέλεια: m Ισχύς: 6*10-39 Εμβέλεια: άπειρη

27 Το πεδίο και το σωματίδιο Higgs
Πληροί όλο τον χωρόχρονο Έχει μη μηδενική ενέργεια κενού Η μάζα των σωματιδίων εξαρτάται από την ισχύ της σύζευξης τους μ’ αυτό (τα φωτόνια και γλοιόνια έχουν μηδενική σύζευξη  μηδενική μάζα) Η μάζα του δεν προβλέπεται στο Κ.Π.

28 Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbors. The ex-Prime Minister enters and crosses the room. All of the workers in her neighborhood are strongly attracted to her and cluster round her. As she moves she attracts the people she comes close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal, that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving again because the clustering process has to be restarted. In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion - the clustering of the field around the particle - generates the particle's mass. The idea comes directly from the physics of solids. Instead of a field spread throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms. When an electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free electron. The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless. Now consider a rumor passing through our room full of uniformly spread political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the details, then they turn and move closer to their next neighbors who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitary at the other side of the room. Since the information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to the ex-Prime Minister, then the rumor-carrying clusters also have mass. The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field. We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for giving other particles is true, if we actually see the Higgs particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of clustering without needing an electron to move and attract the atoms. These waves can behave as if they are particles. They are called phonons and they too are bosons. There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out.

29 Now consider a rumor passing through our room full of uniformly spread political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the details, then they turn and move closer to their next neighbors who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitary at the other side of the room. Since the information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to the ex-Prime Minister, then the rumor-carrying clusters also have mass. The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field. We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for giving other particles is true, if we actually see the Higgs particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of clustering without needing an electron to move and attract the atoms. These waves can behave as if they are particles. They are called phonons and they too are bosons. There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out.

30 Ενέργεια 14 TeV  λ < 10-19m

31 CERN Το Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC

32

33 Οι μαγνήτες στρέψης του LHC
Μαγνητικό Πεδίο: 9Τ (~ φορές μεγαλύτερο από της Γης) Ρεύμα ~13000 Α Θερμοκρασία ο C (1.8 K) Υπεραγώγιμοι, ψύχονται με υγρό άζωτο αρχικά και υπέρευστο Ήλιο στο τελικό στάδιο ψύξης. Μήκος καλωδίων = 5 φορές την απόσταση Γης – Ήλιου !!!

34 Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων
παράγονται σωματίδια και αντισωματίδια g p E = mc2 p p πρωτόνιο πρωτόνιο Η διαθέσιμη ενέργεια είναι 14 TeV !!! (LHC)

35

36 Το πείραμα CMS

37 Εγκάρσια τομή του ανιχνευτικού συστήματος CMS

38 Ο ATLAS είναι διπλάσιος σε μέγεθος ! Ο CMS πολύ βαρύτερος (12500 τόνοι)
5-όροφο κτήριο

39 Θαύματα του 21ου αιώνα! ATLAS
~2500 Ερευνητές από τους οποίους ~1000 Διδακτορικοί Φοιτητές

40 Θαύματα του 21ου αιώνα! Ο ανιχνευτής CMS 100m κάτω από το έδαφος
~2500 Ερευνητές από τους οποίους ~1000 Διδακτορικοί Φοιτητές

41 Μια «απλή» σύγκρουση στο LHC (Προσομοίωση)
Higgs  4 μιόνια Πού είναι τα μιόνια? Χρειαζόμαστε Μαγνητικό πεδίο! Οι κόκκινες γραμμές δείχνουν τα μιόνια

42 Πώς μπορεί να μοιάζει ένα πραγματικό Higgs που διασπάται σε 2 ηλεκτρόνια και 2 μιόνια: HZZ(e+e-) (μ+μ- ) 2 μιόνια 2 ηλεκτρόνια

43 Λίγα λόγια ακόμη για τη τεχνολογία
Οι ανιχνευτές του LHC είναι τα πιο πολύπλοκα επιστημονικά όργανα που κατασκευάστηκαν ποτέ Ένας τυπικός ανιχνευτής του LHC έχει περίπου 100 εκατομμύρια αισθητήρες (μια τυπική ψηφιακή φωτογραφική μηχανή έχει περίπου 6 Εκατομμύρια αισθητήρες ~6 Mpixels) Αλλά παίρνει 40 Εκατομμύρια «φωτογραφίες» το δευτερόλεπτο! Πρέπει να επιλέξει σε πραγματικό χρόνο τις 100 καλές «φωτογραφίες»/ανά δευτερόλεπτο! Ο ανιχνευτής πρέπει να λειτουργήσει για περίπου 10 χρόνια σχεδόν χωρίς καμία αλλαγή! Η Τεχνολογία – αισθητήρων και ηλεκτρονικών – είναι τεχνολογία αιχμής!

44 Τα ‘προβλήματα’ του Καθιερωμένου Προτύπου
Τα ‘προβλήματα’ του Καθιερωμένου Προτύπου Έχει 27 ελεύθερες παραμέτρους Δεν περιλαμβάνει την Βαρύτητα Πρόβλημα αισθητικής: το κομμάτι των φερμιονίων (της ύλης) έχει κομψή ταξινόμηση ενώ τα μποζόνια (φορείς δυνάμεων) όχι Πρόβλημα αισθητικής: το πρόβλημα της Ιεραρχίας Κοσμολογικό πρόβλημα: Η ύλη που παρατηρείται στο σύμπαν είναι μόνο 5% (το υπόλοιπο 25% σκοτεινή ύλη, 70% σκοτεινή ενέργεια)

45 Η Υπερσυμμετρία – μια ενδιαφέρουσα θεωρία
Κάθε σωματίδιο έχει υπερσυμμετρικό σύντροφο με μεγάλη μάζα Τα ελαφρά υπερσυμμετρικά σωματίδια μπορεί να είναι σταθερά οπότε είναι υποψήφια για σκοτεινή ύλη Λύνεται το πρόβλημα της ιεραρχίας Δυνατότητα ενοποίησης Όμως πολλά σωματίδια, περισσότεροι παράμετροι

46 Προς ενοποίηση Η σταθερά ζεύξης κάθε αλληλεπίδρασης μεταβάλλεται με την ενέργεια λόγω κβαντικών διεργασιών ΕΜ ΕΜ ασθενείς ασθενείς ισχυρές ισχυρές

47 Χορδές – Υπερχορδές – Μεμβράνες – κ.λ.π.
Στην θεωρία των χορδών τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είναι σημειακά αλλά έχουν μια διάσταση μήκους ~10-33 cm Μια και μόνο χορδή παριστά όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, που είναι οι καταστάσεις διέγερσης της και χαρακτηρίζονται από κατάλληλους κβαντικούς αριθμούς (φορτίο, σπιν, κλπ). Οι χορδές είναι ανοιχτές ή κλειστές και οι ‘κοσμικές τους επιφάνειες’ ανοικτές ή κλειστές. Μια κλειστή χορδή έχει σπιν 2, μηδενική μάζα = βαρυτόνιο.

48 Υπολογισμοί χωρίς απειρίες, μία μόνο παράμετρος
Οριακές συνθήκες περιορίζουν τα άκρα σε μεμβράνες The equations of motion of string theory require that the endpoints of an open string (a string with endpoints) satisfy one of two types of boundary conditions: The Neumann boundary condition, corresponding to free endpoints moving through spacetime at the speed of light, or the Dirichlet boundary conditions, which pin the string endpoint. Each coordinate of the string must satisfy one or the other of these conditions. If p spatial dimensions satisfy the Neumann boundary condition, then the string endpoint is confined to move within a p-dimensional hyperplane. This hyperplane provides one description of a Dp-brane Οι θεωρίες απαιτούν 11-διάστατους ή 10-διάστατους χώρους !!!  Dp-βράνες Οι έξτρα διαστάσεις συρρικνώνονται !!

49 Άλλα μικρότερα (;) προβλήματα
Στο αρχικό Καθιερωμένο Πρότυπο τα νετρίνα δεν έχουν μάζα. Όμως τα τελευταία χρόνια αποδείχτηκε πειραματικά πως έχουν. Το ΚΠ επεκτάθηκε με περισσότερες παραμέτρους Το πρόβλημα της μη παραβίασης της CP συμμετρίας στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις  λύση με την παραδοχή μιας επί πλέον συμμετρίας η αυθόρμητη παραβίαση της οποίας οδηγεί στο σωματίδιο axion. Το axion είναι ένα σταθερό σωματίδιο άρα υποψήφιο για σκοτεινή ύλη. PRIMAKOFF EFFECT

50 Από την Σωματιδιακή Φυσική στην Αστροφυσική
Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια αλληλεπίδρασης τόσο θα είναι μεγαλύτερη η λεπτομέρεια που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο φυσικό σύστημα. Όσο προχωρούμε στην αρχή του χρόνου του σύμπαντος τόσο η Θερμοκρασία (ενέργεια) αυξάνει με μέγιστο την στιγμή της μεγάλης έκρηξης (Big Bang).

51 Από την εποχή του Big Bang έως σήμερα

52 Οι καμπύλες περιστροφής των Γαλαξιών
Α: Αναμενόμενη καμπύλη Β: Μετρηθείσα καμπύλη

53 Η μάζα στον ενδογαλαξιακό χώρο
Πύρινες αέριες μάζες ανάμεσα στους γαλαξίες ομάδας γαλαξιών. Μελετώντας την κατανομή θερμοκρασίας των αερίων μαζών συμπεραίνομε πόσο συμπιέζονται λόγω βαρύτητας από τους περιβάλλοντες γαλαξίες και έτσι επιτυγχάνομε μέτρηση της μάζας του υλικού τριγύρω τους. Υπάρχει σκοτεινή ύλη με μάζα 5 φορές μεγαλύτερη της ορατής (εκπέμπει ακτινοβολία) μάζας.

54 Υποψήφιοι για Σκοτεινή Ύλη
Τα πιο ελαφρά υπερσυμμετρικά σωματίδια (όπως το νιουτραλίνο) μπορεί να είναι σταθερά οπότε είναι υποψήφια για Σκοτεινή Ύλη Τα υπερσυμμετρικά σωματίδια ‘αναμένεται’ να ανακαλυφθούν προσεχώς στο LHC Τα αξιόνια επινοήθηκαν για να λύσουν το πρόβλημα της CP συμμετρίας των ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Είναι σταθερά  υποψήφια για Σκοτεινή Ύλη. Η ύπαρξη των αξιονίων διερευνάται σε διάφορα πειράματα στην Αμερική, Ευρώπη και Ιαπωνία.

55 Το κβαντικό κενό και το σύμπαν
Για κλειστό σύστημα dQ=0 (π.χ. το κενό), η διατήρηση της ενέργειας δίδει: Εάν ρ είναι η πυκνότητα ενέργειας του κενού Ironically, dark energy causes expansion because it has strong negative pressure. The vacuum energy density must be constant because there is nothing for it to depend on. If a piston capping a cylinder of vacuum is pulled out, producing more vacuum, the vacuum within the cylinder then has more energy which must have been supplied by a force pulling on the piston. If the vacuum is trying to pull the piston back into the cylinder, it must have a negative pressure, since a positive pressure would tend to push the piston out. A substance has positive pressure when it pushes outward on its surroundings. This is the usual situation for fluids. Negative pressure, or tension, exists when the substance instead pulls on its surroundings. A common example of negative pressure occurs when a solid is stretched to support a hanging weight. The gravitational repulsive effect of dark energy's negative pressure is greater than the gravitational attraction caused by the energy itself. At the cosmological scale, it also overwhelms all other forms of gravitational attraction, resulting in the accelerating expansion of the universe. According to the Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metric, which are an application of General Relativity to cosmology, the pressure within a substance contributes to its gravitational attraction for other things just as its mass density does. Negative pressure causes a gravitational repulsion. One might wonder, how can pushing cause attraction? How can pulling cause repulsion? Naively, this sounds like a contradiction. The solution is: The pushing of positive pressure (and the pulling of negative pressure) are non-gravitational forces which just move substances around within space without changing space itself. But the gravitational attraction (or repulsion) they cause operates on space itself, decreasing (or increasing) the amount of space between things. It is this which determines the size of the universe. There is no necessity that these two effects should act in the same direction. In fact, they act in opposite directions. Από τον ορισμό της παραμέτρου Hubble: Δηλαδή για p=-ρ: Σκοτεινή Ενέργεια ?

56 Κοσμική Επιτάχυνση Από την εξίσωση του Einstein - Friedman:
όπου Κ η καμπυλότητα του χώρου: In the framework of the standard cosmological model, an acceleration of the expansion of the Universe requires the mass-energy of the Universe to be dominated by a fluid with a negative pressure. The simplest candidate for this negative-pressure fluid is Einstein’s cosmological constant. A cosmological constant is equivalent to, and indistinguishable from, a vacuum energy. If the observations are explained by an effective cosmological constant, then astronomers have made the remarkable discovery that there is a fundamental energy density to the vacuum of space: ρ =10^−30 g cm^−3. Δηλαδή για p=-ρ: Σύμπαν με επιταχυνόμενη διαστολή

57 Τα αποτελέσματα του WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Μετρά ανισοτροπία του κοσμικού μικροκυματικού υπόβαθρου (CΜB)

58 Η σύσταση του Σύμπαντος
NASA Sept-06

59 Η σύσταση του Σύμπαντος
Το σύμπαν αποτελείται κυρίως από: σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια Αλλά, δεν ξέρουμε ούτε τι είναι σκοτεινή ύλη ούτε τι είναι σκοτεινή ενέργεια • Για σκοτεινή ύλη έχουμε πιθανό υποψήφιο κάποιο κατάλοιπο από την Μεγάλη Έκρηξη. — Axions ? — Νιουτραλίνα ? • Για σκοτεινή ενέργεια ? — Η ενέργεια του κενού ?

60 Ανακεφαλαίωση Η Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ή Υψηλών Ενεργειών έχει ως σκοπό την διερεύνηση της στοιχειωδών συστατικών της ύλης και των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων τους. Το Καθιερωμένο Πρότυπο: η πιο επιτυχημένη θεωρία που έχει φτιάξει ο άνθρωπος. Ένα τελευταίο σωματίδιο δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί: το Higgs. Το κυνήγι του στο LHC περιλαμβάνει και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Νέα γενιά πειραματικών συσκευών μεγάλης ακριβείας έχουν τεθεί σε λειτουργία για την εξερεύνηση της ύλης στα πειράματα του CERN. Αναπάντητό ερώτημα επίσης αποτελεί η φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.