O neutrinech a temné energii , jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona ,

1. O neutrinech a temné energii, jako ilustraci vztahu jevů mikrosvěta a makrosvěta a poklona, Ray Davisovi a Georgesovi Lemaitrovi Jiří Chýla, Fyzikální ústav Akademie věd ČR • Dokáží neutrina předběhnout světlo? • Jaký osud čeká (náš) vesmír? Gymnázium Jan Keplera

2. Gymnázium Jan Keplera

3. Gymnázium Jan Keplera

4. Co dnes víme o struktuře hmoty Gymnázium Jan Keplera

5. Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modelu Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj.částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony Ke každé z těchto částic existuje i odpovídající antičástice Gymnázium Jan Keplera

6. Z barevných kvarků jsou složeny dobře známé částice, jako jsou například proton a neutron neutron= proton= U d U u d d kvarky v přírodě neexistují jako volné částice ale vždy jen uvnitř částic, jako jsou protony a neutrony. Experimentální data lze pochopit jen za předpokládu, že hadrony jsou bezbarvé kombinace kvarků. Gymnázium Jan Keplera

7. Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Tři z nich mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí „výměny“ částic se spinem 1 Gymnázium Jan Keplera

8. Základní poselství fyziky 20 století: Vesmír, tak jak ho známe, by nevznikl ani nemohl existovat, pokud by v něm platily zákony klasické fyziky, ale je založen na dvou pilířích formulovaných počátkem 20. století: Teorii relativity a kvantové teorii Gymnázium Jan Keplera

9. O neutrinech Gymnázium Jan Keplera

10. Neutrina, vítaní poslové ze Slunce V březnu roku 2005 zemřel ve věku 99 let Hans Bethe,laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 1967. Při jejím udělení stál výbor Nobelovy nadace před problémem, který z mnoha zásadních příspěvků Betheho k jaderné fyzice vybrat. Nakonec se rozhodl pro ocenění Betheho práce na objasnění mechanismu, jakým svítí hvězdy. Bylo to správné rozhodnutí, ale v roce 1967 trochu riskantní. Nikdo si nedovedl představit jiný zdroj energie hvězd, než fůzi vodíku na hélium, ale přímé důkazy pro to chyběly. Dokonce se zdálo, že standardní model Slunce má vážný problém. Gymnázium Jan Keplera

11. Ray Davis V polovině 60. let 19. totiž začal v opuštěném dole na zlato Homestake v Jižní Dakotě pro-vádět experimenty americký fyzik a chemik Raymond Davis. Jeho cílem bylo dokázat, že ze Slunce k nám přilétají neutrina a změřit jejich tok. Od počátku jeho výsledy naznačovaly, že neutrin ze Slunce k nám přilétá méně, než kolik předpovídaly teoretické výpočty. Svůj experiment vylepšoval 25 let a stále dostával stejný výsledek: jeho detektor zaznamenával jen asi třetinu teoreticky předpo-věděného počtu neutrin. Většina fyziků však měla o správnosti jeho dat a spolehlivosti teoretických výpočtů pochybnosti. Na rozhodující důkaz bylo proto třeba počkat až na konec 90. let. A Masatoshi Koshibu. Gymnázium Jan Keplera

12. K tomu postavil detektor v dole na zinek u japonského města Kamioka a od roku 1982čeká až se v něm nějaký proton rozpad-ne. Zatím se nedočkal, ale jeho snaha nebyla marná, neboť jeho detektor zachytil a přesně proměřil tok slunečních neutrin. Jeho měření potvrdila Davisovy výsledky, ale kromě toho také prokázala existenci pozoruhodného jevu oscilace neutrin, jenž hraje pro pochopení deficitu slunečních neutrin klíčovou roli. jeho detektor zachytil a přesně proměřil tok slunečních neutrin. prokázala existenci pozoruhodného jevu oscilace neutrin, Toho sice nezajímali neutri-na ze Slunce, ale počátkem 80. let minulého století se rozhodl prověřit odvážnou předpověď určité třídy teorií, které se snaží sjednotit růz-typy sil, že proton není stabilní. Masatoshi Koshiba Gymnázium Jan Keplera

13. Gymnázium Jan Keplera

14. sources of’s zdroje neutrin velký třesk Slunce atmosferická neutrina lidské tělo jaderné reaktory pozemská radioaktivita urychlovače Accelerators E 0.3 – 30 GeV The Big Bang = 330 / cm3 SN1987 20 n’s SN1987 20 n’s • The Sun • 6 x 1010 /cm2s Atmospheric ’s 1 /cm2s - - Human Body  = 340 x 106 /day Nuclear Reactors  few MeV • Earth’s Radioactivity •  6 x 106 /cm2s Gymnázium Jan Keplera _ 

15. Jak dlouho svítí Slunce a kde k tomu bere energii? Otázky, z čeho získávají hvězdy energii pro záření a jak dlouho Slunce svítí, si lidé začali klást zhruba v polovině 19. století a to v souvislosti z objevem zákona zachování energie. Helmholtz: hvězdy získávají energii přeměnou gravitační energie na teplo. Darwin: na základě úvah o rychlosti eroze jednoho údolí v Jižní Anglii odhadl stáří Slunce na zhruba 300 miliónů let. To byla doba dostatečně dlouhá pro vývoj druhů přirozenou selekcí, jak ho Darwin formuloval ve své klasické práci O původu druhů. Kelvin: došel na základě úvah o gravitační kontrakci Slunce k číslu asi desetkrát menšímu, čímž a vzbudil v Darwinovi pochybnosti o správnosti jeho hypotézy přirozené selekce druhů. Jak dnes víme, pravdu měl Darwin, ne Kelvin. Gymnázium Jan Keplera

16. 1896:H. Becquerelobjevil spontánní radioaktivitu uranu. Od počátku bylo jasné, že záření je tvořeno elektricky nabitými částicemi a žemá dvě složky, α a β. 1903:Pierre Curie: rádium nepřetržitě vyzařuje teplo a přitom se neochlazuje. Krátce se zdálo, že přirozená radioaktivita by mohla být zdrojem energie pro Slunce, ale astronomové brzy ukázali, že Slunce je tvořeno převážně plynným vodíkem a radioaktivního materiálu je tam velmi málo. 1905: Rozhodující okamžik ve vývoji představ jak Slunce svítí přinesla Einsteinova teorie relativity. Proslulá formule zobecňuje zákon zachování energie zahrnutím možnosti přeměnit klidovou hmotnost na kinetickou energii a naopak. Gymnázium Jan Keplera

17. Přeměna i jen malé části klidové hmotnosti jaderna kinetickou energii tak otevřela možnost získat obrovské množství energie. F. Aston v roce 1920 zjistil, že čtyři jádra vodíku jsou dohromady asi o 0,7% těžší než jádro hélia. Klíč k pochopení mechanismu produkce energie ve Slunci byl na světě. Anglický astronom Arthur Eddingtontéhož roku ukázal, že přeměna vodíku na hélium může poskytnout dostatek energie na to, aby Slunce svítilo asi 100 miliard let. Zjednodušená základní reakce: 4 protony → Helium + 2 pozitrony (+ 2 elektronová neutrina) Gymnázium Jan Keplera

18. Gymnázium Jan Keplera

19. Skutečnost, že v β-rozpadu neutronu neutron→proton+elektron vzniká kroměelektronu ještě další částice netušil tehdy nikdo a trvalo 17 let než tozačalo být fyzikům podezřelé. 1914:J. Chadwick ukázal, že spektrum energií elektronů v β-rozpadu je spojité. Tento fakt podle Bohra znamenal, že v mikrosvětě se energie v jednotlivých případech nezachovává. Toto „řešení“ odmítal Pauli a pro vysvětlení spojitého spektra postuloval existenci nové částice, kterou nazval „neutron“. Trvalo čtvrt století, než byla Pauliho hypotéza neutrina v roce 1955 potvrzena experimenty Reinese a Cowana. Ti prokázali existenci elektronových antineutrin z jaderných reaktorech tím, že pozorovali důsledky jejich srážek s protony v procesu Gymnázium Jan Keplera

20. Na jaře roku 1938 se rozpracováním Eddingtonovy myšlenky začal zabývat německý teoretik Hans Bethe. Bylo mu sice jen 32 let, ale byl na tento úkol ze všech tehdejších fyziků nejlépe připraven. A již na podzim 1938 dokončil svoji základní práci Produkce energie ve hvězdách Kromě skutečnosti, že v práci popsaných procesech chybí neutrino, vystihl Bethe podstatu procesů dokonale. Gymnázium Jan Keplera

21. Trpělivost růže přináší V polovině 50. let přišel mladý americký chemik Raymond Davis s myšlenkou změřit tok slunečních neutrin metodou navrženou Brunem Pontecorvo. Ta byla založena na reakci Technické realizaci této metody Ray zasvětilDavis celý život. Jeho první aparatura byla umístěna v opuštěném dole na vápe-nec a jejím srdcem byla nádrž na 4000 litrů perchloretylenu. Počátkem 60. let Davis získal prostředky na stavbu stokrát většího zařízení, jež bylo uvedeno do provozu v roce 1964 asi 1800 metrů pod zemí v dole na zlato v Homestake. Gymnázium Jan Keplera

22. Snad trocha (velkých a přibližných) čísel nikoho nezabije Víme, že ze Slunce přichází na čtvereční centimetr za vteřinu 60 miliard neutrin (62x106) Davisův detektor měl objem 400 krychlových metrů dopadlo do něj za vteřinu 30 milionů miliard neutrin (30x1015) tj. za rok (31 milionů vteřin) celkem milion miliard miliard neutrin (1024) z nichž v Davisově detektoru interagovalo s neutrony jen 100 v případě člověka (100 kg) to odpovídá 1 interagujícímu neutrinu za 40 let Gymnázium Jan Keplera

23. Gymnázium Jan Keplera

24. Hodně velká kupka sena Davisův úkol byl ovšem daleko složitější než příslovečné hledání jehly v kupce sena. Počet případů čítal typicky dva za týden a protože poločas rozpadu argonu je 35 dní, bylo z detektoru speciální chemickou procedurou odváděno každé dva měsíce 10-20 atomů argonu. přitom v 400 tunách perchloretylenu je asi 40 tisíc miliard miliard miliard (40x1030) molekul. Za 30 let zaznamenal Davis asi 2200 případů produkce argonu. Tento počet odpovídal toku slunečních neutrin 2.56±0.3 solárních jednotek (SNU) Předpověď standardního modelu Slunce byla třikrát větší: 7.6±1.3 SNU. Gymnázium Jan Keplera

25. Vyřešení problému solárních neutrin • Fyzikální neutrina dané „vůně“, tj. νe, νμ,ντ • jsou směsi stavů ν1, ν2,ν3 s nenulovými hmotnostmi • chovají se podobně jako chameleoni, neboť • během pohybu mění svou „vůni“. • Tomuto ryze kvantovému efektu se říká „oscilace neutrin“. • Pokud se elektronové neutrino během letu z nitra Slunce změní na mionové či tauonové neurino, detektory Davise a Koshiby ho nemohli zachytit. Gymnázium Jan Keplera

26. Pravděpodobnost oscilace původního elektronového neutrina Oscilace závisí na vzdálenosti, kde ji měříme a energii neutrina Gymnázium Jan Keplera

27. Neutrina v Opeře Postavena za účelem detekce oscilace Gymnázium Jan Keplera

28. Pravděpodobnost oscilace původního mionového neutrina Gymnázium Jan Keplera

29. Lake Geneva LHC CNGS SPS CERN PS CERN Accelerator Complex Gymnázium Jan Keplera 29 Neu2012, 27-28 Sept. 2010, CERN Edda Gschwendtner, CERN

30. Gymnázium Jan Keplera

31. Gran Sasso CERN measure tau-neutrinos 732km produce muon-neutrinos ~2 nt/year (~1·1017nm/year) ~4·1019 p/year ~2·1019nm/year • Bilance experimentu: od počátku roku 2009 bylo: • ze 100 miliard miliard protonů (1020) v CERN vyrobeno • 50 miliard miliard mionových neutrin (5x1019) • z nichž jich do detektoru OPERA dopadla setina (5x1017) • v něm interagovalo cca deset tisíc • z nich bylo jediné hledané tauonové neutrino Právě ty „neužitečné“ případy interakce neoscilujícího mionového neutrina byly použity pro měření jeho rychlosti Gymnázium Jan Keplera

32. bez oscilace s oscilací Gymnázium Jan Keplera

33. Jak OPERA měřila rychlost neutrin Mionová neutrina vznikají ve srážkách pulzu protonů trvajícího 10 mikrosekund s jádry uhlíku. V důsledku toho není možné měřit doba letu, a tedy rychlost, jednoho neutrina, ale je nutné srovnat časové rozložení srážek v OPEŘE s pulzem protonů posunutým o dobu, kterou by potřebovalo na překonání vzdálenosti z CERN do Gran Sassa světlo ve vakuu. Gymnázium Jan Keplera

34. Ležící hranol o rozměru10x10x20 metrů, 1300 tun • Dosažedné přesnosti: • Synchronizace času v CERN a Gran Sassu: 3 ns • Délka letu neutrina z CERN do OPERY: 1 m Gymnázium Jan Keplera

35. Vlak neutrin dlouhý 10 mikrosekund dojel do Gran Sassa o 61 miliardtin vteřiny dříve, než by stejnou vzdálenost urazilo světlo ve vakuu. Chyba tohoto údaje je podle autorů jen 10 ns. Za tuto dobu urazí světlo ve vakuu 18 metrů. Gymnázium Jan Keplera

36. Bude do Vánoc jasno? Je velká šance, že ano. Experiment nyní probíhá s jinak organizovaným svazkem protonů, z nichž neutrina vznikají. Místo 10 mikrosekund dlouhého vlakujsou nyní protony ve vagóncích, dlouhých jen několik nanosekund, mezi nimiž je velká mezera. To umožní přiřadit každé srážce v OPEŘE proton z jednoho vagónku a tím měřit dobu letu s přesností délky tohoto vagónku. Na potvrzení či vyvrácení výsledku OPERY bude stačit pár případů a to nebude trvat dlouho. Gymnázium Jan Keplera

37. O rozpínání vesmíru Gymnázium Jan Keplera

38. (Některé) klíčové etapy vývoje moderní kosmologie 1917 A. Einstein: aplikoval obecnou teorii na homogenní a izotropní vesmír. Podle Einsteina měl náš prostor tvar třírozměrného povrchu čtyřrozměrné koule. Aby dostal stacionární řešení, zavedl kosmologickou konstantu. Toho později litoval („největší oslovina mého života“), ale neměl. 1927 G. Lemaitre zkoumal řešení Einsteinových rovnic pro rozpínající se prostor a dva roky před Hubblem objevil vztah jenž se nazývá „Hubbleův“ zákon. 1929: E. Hubble: spirální mlhoviny jsou extragalaktické, nalezl a prosadilempirický vztah (Hubbleův zákon) mezi rychlostí vzdalování galaxií a jejich vzdáleností. 1931: G. Lemaitre: náš vesmír vznikl z primordiálního atomu. Úžasnákombinace relativity a kvantové teorie. 1998: expanze vesmíru se zrychluje!!!(NC 2011). Gymnázium Jan Keplera

39. Tři možné globální geometrie prostoru součet úhlů trojúhelníku je větší než 180° součet úhlů trojúhelníku je menší než 180° součet úhlů trojúhelníku je rovný 180° Gymnázium Jan Keplera

40. Lokálně hmota prostor zakřivuje Gymnázium Jan Keplera

41. Dopplerův efekt Gymnázium Jan Keplera

42. z=0.25 z=0.06 z=0.02 nanometry Rudý posuv Gymnázium Jan Keplera

43. Původní Hubbleův graf ! Časový vývoj hodnoty H0 vzdálenost v Mpc 1929 Edwin Hubble vynesl závislost rudého posuvu (tím pádem i rychlosti vzdalování) galaxií na jejich vzdálenosti rychlost v km/sec v=H(t)D(t) t0 =1/H0: Hubbleův čas udává zhruba stáří vesmíru Gymnázium Jan Keplera

44. Georges Lemaitre (1894 – 1966) katolický kněz a nedoceněný génius, byl poEinsteinovi, Fridmanovi a de Sitterovi čtvrtým fyzikem, jenž aplikoval Einsteinovu obecnou teorii relativity v kosmologii. Gymnázium Jan Keplera

45. V článku The begining of the world from the point of quantum theory, publikovaném v r. 1931 v časopise Nature, vyslovil hypotézu, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom bodě. Jeho slova: „Jestliže svět vznikl v jednom kvantu, pojmy prostor a čas neměly na samém počátku žádný smysl. Ten mohly nabýt až když se původní kvantum rozdělilo na dosta-tečný počet kvant. Je-li tato hypotéza správná, svět vznikl krátce před počátkem prostoru a času.“ byla více než jasnozřivá a daleko předběhla dobu. Einsteinv lednu 1933 po Lemaitreově přednášce v Kalifornii “Tohle je nejkrásnější a nejuspokojivější vysvětlení stvoření světa, jenž jsem kdy slyšel“ Gymnázium Jan Keplera

46. čas Singularita Lemaitrova představao rozpínání vesmíru: Dnešní vesmír Horká polévka, v níž byly přítomny všechny částice standardního modelu, ale i částice, o nichž nemáme ani tušení. Všechny ovliv- nily další vývoj vesmíru do dnešní podoby Gymnázium Jan Keplera

47. rychlost vzdálenost Velký třesk je velmi netriviální hypotéza, kterou si nelze plně představit, ale lze ji jen přiblížit různými analogiemi jako je rozpínající se míč či kynoucí těsto V obou případech: v=H(t)D(t) Gymnázium Jan Keplera

48. Znamená velký třesk návrat k Newtonovi? Do jisté míry ano, neboť expanduje sám prostor nikoliv předměty do existujícího prostoru. Tělesa se primárně vzdalují proto, že se prostor rozpíná rychlostí jež může být větší než rychlost světla. Rozpínání vesmíru definuje preferovaný systém, tj. absolutní prostor i absolutní čas. Pohyb vůči tomuto systému lze detegovat. Náš sluneční systém se vůči němu pohybuje rychlostí 370 km/sec. Existují tělesa, která jsou „vázaná“a jež se s expanzí nerozpínají. Jedině díky nim můžeme expanzi pozorovat. Gymnázium Jan Keplera

49. V romantické komedii Woodyho Allena z roku 1977 Annie Hall je scénka, v níž vystupuje malý Alvy, alter ego Woodyho Allena, jeho matka a doktor Flicker, ke kterému matka Alvyho přivedla, protože nechtěl dělat domácí úkoly. Gymnázium Jan Keplera

50. Matka: Je sklíčený. Najednou nedokáže nic udělat. Doktor: Proč jsi tak sklíčený, Alvy? Matka: Řekni to doktoru Flickerovi. (k němu) Něco si přečetl. Doktor: Něco si přečetl? Alvy: Vesmír se rozpíná. Doktor: Vesmír se rozpíná? Alvy: Vesmír je všechno, a když se rozpíná, jednoho dne se rozlomí a bude všemu konec! Matka: Co se o to staráš? (k doktorovi) Přestal dělat domácí úkoly. Alvy: No a? Matka: Co s tím má společného vesmír? Jsi v Brooklynu! A Brooklyn se nerozpíná! Doktor: A nebude se rozpínat po miliardy let, Alvy. Měli bychom si užívat, dokud jsme zde. Gymnázium Jan Keplera