... с птичьего полета Космология Дмитрий В. Наумов ЛЯП ОИЯИ Лекция 2. - презентация

1

2 ... с птичьего полета Космология Дмитрий В. Наумов ЛЯП ОИЯИ Лекция 2

3 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Метрика Робертсона- Уолкера Уравнения Фридмана и их решения Кривизна пространства Черные дыры Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

4 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Красное смещение Закон Хаббла Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

5 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Красное смещение Эволюция Вселенной Нуклеосинтез Образование галактик и крупных структур Реликтовый микроволновой фон Эксперименты COBE и WMAP Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

6 Содержание Гравитация Гравитация Ньютона Гравитация Эйнштейна Создание Вселенной Разбегание галактик Большой взрыв Инфляционная модель Состав Вселенной Видимое вещество Темная материя Темная энергия О размерах... Проблемы стандартной модели БВ Квантовое начало Космические Лучи Как детектируют КЛ КЛ сверх-высоких энергий Лекция 1 Лекция 2

7 D.Scramm and M.S. Turner, ``Big Bang enters the precision era'', RMP70(1998)0303 В.Л.Гинзбург, О некоторых успехах физики и астрономии за последние три года, УФH172(2002)0213 В.А.Рубаков, ``Физика частиц и космология: состояние и надежды, УФН169(1999)1299 S.Sarkar, ``Big bang nucleosynthesis and physics beyond the standard model'',RPP59(1996)1493 M.Turner, J.Tyson, ``Cosmology at the millenium'',RMP71(1999)S145 Dolgov, Ya.Zeldovich, ``Cosmology and elementary particles'',RMP53(1981)0001 A.Dolgov, ``Neutrinos in Cosmology'',PR370(2002)333 M.Maggiore, ``Gravitational Wave Experiments...'',PR331(2000)283 V.L. Ginzburg, ``What problems of physics and astrophysics...'', PhU042(1999)0353 I.L.Rozental, ``Elementary particles and cosmology'', PhU40(1997)0763 V.A. Rubakov, M.E.Saposhnikov, ``Electroweak baryon number non-conservation...'', PhU039(1996)0461 J.Ellis, ``Astropartical Physics: A personal outlook'', NPB48(1996)522 J.Ellis, ``Particles and Cosmology'',NPB35(1994)005 J.M.Uson, ``General Cosmology: Overview and outstanding problems'',NPB28A(1992)017 L.Jauneau, ``Introduction to Gravity and Cosmology'', LAL88-41 M.Kutschera, ``Introduction to Physical Cosmology'', INP-1659-PH P.Olesen, ``An introduction to cosmology'',ESHEP(1997)220 astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , astro-ph/ astro-ph/ , astro-ph/ , gr-qc/ gr-qc/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-ph/ , hep-ph/ hep-ph/ , hep-th/ , hep-th/ hep-th/ Список литературы

8 ~90% массы Вселенной сосредоточено в виде невидимой (темной) материи, возможно даже другой природы по сравнению с тем из чего мы сделаны сами Астрономы утверждают, что: Астрономы так утверждают... 90%?! - На чем это основано ?

9 Видимая масса во Вселенной : Следствия: Меньше, чем ограничение из нуклеосинтеза для барионов bary =0.04 согласуется Большее число барионов во Вселенной не светятся (~75%) – Газ и пыль – Остатки звезд (белые карлики, нейтринный звезды, черные дыры)

10 Указание на темную материю: ротационные кривые mv 2 /R = G m M/R 2 v~R для внутренней обасти v~1/R для внешней области

11 Указание на темную материю: ротационные кривые

12 Lets use some numbers... A galaxy like the Milky Way or Andromeda has a total visible mass of about M sun. The rotation velocity is ~220 km/sec The radius about ~30 kpc Newton: total mass: M sun ~5 times more mass than visible

13 Указание на темную материю: X-ray clusters

14 Указание на темную материю: Крупномасштабные течения

15 Все вместе: Следствия: Большая часть массы Вселенной темная Большая часть массы темной материи не в барионной форме

16 April 20, 2001Astronomy 201 Cosmology - Lecture Вопрос: Что это за материя? Ответ: MACHOs или WIMPs

17 MACHOs ? MAssive Compact Halo Objects Коричневые карлики (звезды не достаточно массивные, чтобы светиться) Тусклые белые карлики (остатки от звезд вроде Солнца) Массивные черные дыры НО: если Темная материя действительно MACHO,тогда что то с ограничениями из нуклеосинтеза дожно быть неправильным

18 Как можно увидеть MACHOs ? Гравитационное лензирование: Если светящийся объект мал, то раздвоение нельзя будет заметить Но усиление яркости МОЖНО!

19 Как можно увидеть MACHOs ? Как часто в Млечном пути это можно увидеть ? Раз в 10 миллионов лет

20 Решение: наблюдать 10 миллионов звезд одновременно Как можно увидеть MACHOs ?

21 Alcock et al Увеличение яркости из-за магнитного лензирования Недостаточно коричневых карликов, что-бы дать массу темной материи Как можно увидеть MACHOs ?

22 WIMPs ? Weakly Interacting Massive Particles Massive neutrino – По крайней мере мы знае, что они существуют – Мы не знаем есть у них масса или нет – Горячая темная материя (движется со скоростью близкой к скорости света) Другая (еще не открытая) частиц – Холодная темная материя (движется со скоростью меньшей скорости света)

23 WIMP кандидат I: массивные нейтрино По крайней мере мы знаем, что они существуют: + n p + + e -

24 Какова должна быть масса нейтрино для темной материи? – Примерно ~100 нейтрино в cm 3 – Масса 20 eV дает 0 =0.3 Можно ли измерить массу нейтрино ? – Прямой способ: Бета распад дает ограничение на несколько eV для электронного нейтрино. – Наблюдение осцилляций дает разницу квадратов масс. WIMP кандидат I: массивные нейтрино

25 Главная задача физики частиц: найти объединение четырем силам. Суперсимметрия – многообещающая теория объединения Легчайшая суперсимметричная частица (neutralino) должна быть стабильной WIMP кандидат I: Легкие суперсимметричные частицы (LSP)

26 Ее масса должна быть > 150 GeV, иначе – Ее вклад будет неправильным – Она уже должна бы быть найдена Но как доказать ее существование? WIMP кандидат I: Легкие суперсимметричные частицы (LSP)

27 Как найти холодные WIMPы ? Криогенные (ультра-холодные) детекторы Поиск годовых модуляций сигнала

28 Обнаружены ли уже WIMPы ? Результаты все еще противоречивы DAMAcollabor-ation

29 Может ли астрономия помочь отличить нейтрино от нейтралино? Нейтрино: – Масса десятки eV маленькая масса – Маленькая масса большие скорости горячая – Может пройти десятки Mpc Нейтралино: – Масса сотни GeV очень большая масса – Очень большая масса маленькие скорости холодная – Не могут пройти значительных расстояний

30 Распределение галактик не случайно, а скоррелированоРаспределение галактик не случайно, а скоррелировано Пространственное распределение галактик Courtesy: Huan Lin

31 CDM HDM Может ли астрономия помочь отличить нейтрино от нейтралино?

32 Формирование структуры: HDM vs CDM Горячая темная материя: – Изначальная мелко-масштабная структура (меньше, чем кластер галактик) исчезает из- за больших скоростей нейтрино – Кластеры и супер-кластеры образуются первыми – Галактики образаются из-за слияния кластеров и супер-кластеров галактик top-down structure formation

33 Холодная темная материя: – Множество мелко-масштабных структур – Сначала образуются галактики, кластеры после – Большие структуры из-за слияния меньших bottom-up or hierarchical structure formation Формирование структуры: HDM vs CDM

34 CDM лучше описывает данные, чем HDM *большие-z галактики меньше *Нерегулярная форма кластеров галактик указывает на то, что они образовались недавно *Есть только несколько кластеров при больших-z, и много галактик Формирование структуры: HDM vs CDM

35 Детектирование космических лучей сверх высоких энергий из космоса Дмитрий В. Наумов Лаборатория Ядерных Проблем ОИЯИ

36 План лекций: Первая Лекция Большие и малые энергии История космических лучей Космические лучи Широкие атмосферные ливни Космические лучи сверх-высоких энергий

37 План лекций: Происхождение космических лучей сверх- высоких энергий Микроволновой фон и его роль в прохождении космических лучей к Земле Экспериментальное наблюдение космических лучей сверх-высоких энергий. Загадки. Возможные решения... Современные детекторы Наземные Космические

38 A lower energy data suggests a dominance of the protons… The AGASA data seems to conflict to both Hires and GZK prediction. There is also a 2 times difference in the flux measurement between Hires and AGASA at low energies! Hires is a fluorescent detector AGASA is a charge track detector

39 How UHECRs are accerelated? 1.Top down (TD, Big-Bang Remnants, WIMPs etc) 2.Bottom Up (shock waves, RadioGalaxies, etc) 3.Diffusion acceleration at Newtonian Shocks 4.Unipolar induction (rotating magnetic fields strong electric field) 5.Non-linear particle-wave interaction 6.Active Galactic Nuclei and Dead Quasars 7.Neutron Stars 8.Gamma Ray Bursts 9.etc… A lot of speculation but nobody knows (and if knows does not tell us) the truth…

40 How UHECRs are accerelated? Взрыв сверхновой (смотрим видео Helix.avi, sn1987.avi)

41 The Fermi mechanism Scattering of CR on moving magnetized clouds. CR with initial energy E i and angle i Diffuse on magnetic field irregularities thermalizing its energy to that of the gas cloud. E i = E i (1- cos i ) Initial Energy in the rest frame of moving cloud E f = E f (1+ cos f ) Final Energy in the laboratory (E f -E i )/E i = 2 (1- cos i + cos f - 2 cos i cos f ) - 1

42 The Fermi mechanism CR direction is randomized: =0 The probability of collision is proportional to u-V cos i Which in ultrarelativistic limit is 1- cos i Particle Velocity of Cloud This gives = - /3 (E f -E i )/E i = 4/3 2 The accelerator works well but… the energy gain is small as 2

43 The Fermi mechanism Scattering on the plane shock waves is a more efficient accelerator = 2/3 = -2/3 Large shock wave Shocked gas (E f -E i )/E i = 4/3

44 The Fermi mechanism The energy gain after n shocks is: E = E 0 (1+ E/E) n The number of counts needed to reach energy E is: n = ln(E/E 0 )/ln(1+ E/E) The number of particles with energy greater than E is: Q(>E) ~ m=n [1-Prob(escape)] m = [1-Prob(escape)] n /Prob(escape) Substituing n into this equation gives: Q(>E) ~ (E/E 0 ) - with = ln [1-Prob(escape)] -1 /ln(1+ /E) Ok, this is great BUT… 1.Acceleration regions exists only a limited period of time (10 4 year for SN) 2.At very high energy the particle simply escape the accelerator

45 The Fermi mechanism E max ~ 2 cZeBr L

46 How UHECRs Propagate?

47 Происхождение космических лучей сверх-высоких энергий Взаимодействие КЛ с реликтовым микроволновым фоном – МФ остался после Большого Взрыва. Сегодня его температура 2,7°K Открыт в 1965 Penzias и Wilson Вселенная заполнена холодными фотонами с числом (400/cm 3 ) Измерение спутника COBE измерение спутника WMAP En rouge, les régions chaudes : Kelvin plus chaudes que les régions en bleu. Meilleure résolution

48 Прохождение: взаимодействие КЛ с МФ – Несмотря на маленькую энергию реликтовых фотонов энергия в системе центра масс может быть заметной! 300 MeV E cin =0 Система покоя протона 0.5 meV eV Лабораторна я система фотонПротон Происхождение космических лучей сверх-высоких энергий

49 – Взаимодействие протонов Фоторождение пионов В каждом взаимодействии теряется примерно 22% энергии протона Процесс идет до тех пор пока в системе центра масс p d достаточно энергии для рождения : этот эффект называется эффектом Грейзена-Зацепина- Кузьмина (ГЗК) Происхождение космических лучей сверх-высоких энергий

50 Следствие эффекта ГЗК для протона – Средняя длина свободного пробега При энергии порядка eV : 10Mpc. 1 pc = m – Обрезание в спектре энергии Если протон приходит с расстояния больше, чем 100Mpc, все энергии уменьшаются до энергии ниже eV Существуют ИЗМЕРЕНИЯ с энергией до eV – Сверх мощный источник КЛ – Либо источник находится « недалеко в пределах нескольких Mpc ПРОБЛЕМА: никто не знает такой источник!!! Energie (eV) Пройденное расстояние (Mpc)

51 – Взаимодействие ядер с МФ Ядра теряют энергию еще быстрее, чем протоны – Фотоны Также быстро теряют энергию за счет рождения пар (электрон+позитрон) – Нейтрино Очень слабо взаимодействуют с веществом. Почти не теряют энергию при прохождении через космос. Отличный кандидат на роль КЛ сверх-высоких энергий.

52 ГЗК и экспериментальные данные – AGASA зарегестрировала больше 10 событий с энергией выше10 20 Противоречие с обрезанием ГЗК

53 ГЗК и экспериментальные данные – Откуда приходят КЛ СВЭ? plan galactique E>10 20 eV

54 ГЗК и экспериментальные данные – HiRes : лучшее согласие с предсказанием – Противоречие между AGASA и HiRes

55 Много открытых вопросов: – Форма спектра : в согласии с ГЗК или нет? – Если есть источники, то какие? (

56 Who and How is going to address the problem(s)?

57 Courtesy by C.Lauchaud

58 The Auger Observatory is now under construction. The first step consisted of 40 surface detectors (out of the 1600 for the total array) over an area of about 40 km 2 and 2 fluorescence telescopes (out of 24 for the final setup). Thirty of the surface detectors were equipped with electronics and have worked under stable conditions since January More than 70 air showers were detected in hybrid mode (seen both by the surface and fluorescence detectors), and a few hundreds of events with estimated energies above 1 EeV (10 18 eV) were observed by the surface array alone. AGASA and Hires are still collecting the data

59 Обзерватория Оже Черенковский детектор вызывает люботытсво местных жителей Черенковский детектор вызывает люботытсво местных жителей

60 440 Сферических зеркал фотоумножители (1,5° угловое разрешение пикселя) Корректирующие линзы Обзерватория Оже

61 Concept of TUS/TUS2 space free flyer 16x16 PMTs Fresnel mirror 10 rings Focal distance is 1.5 m Field of View is 7.3 o

62 mold production in JINR/Dubna Space qualified carbon-plastic Fresnel mirror to be Luch (Syzran) Mirror mold section Ring number Measured vs theory Measured - theory [mm]

63 April 20, 2001Astronomy 201 Cosmology - Lecture 38 62

64 EUSO Мультианодные ФЭУ R7600-M64 Flat Panel MAPMT R8400-M64/M256 (89%) Новые ФЭУ (Рикен, Япония)

65 Проект для регистрации КЛ из космоса

66 Description of telescope Optique dEUSO (NASA) : Lentilles de Fresnel Surface focale: Structure porteuse FS (France) électronique ( Italie et France) PM Multi-anodes ( Japon ) Hamamatsu R5900-M-16/64 Interfaces / Lanceur + Module ISS Structure porteuse intermédiaire « Alenia » (Italie)

67 EUSO Structure mécanique et optique...Смотрим видео EUSO.mpg

68 How to avoid GZK?

69 Z 0 burst from the annihilation with CNB relic neutrinos in Virgo Cluster. The decay products of Z 0 are gamma rays, nucleons and neutrinos, as firmly established by the CERN LEP experiments. Strong neutrino E>10 21 eV can propagate unattenuated and give us photons, nucleons and pions interacting with CNB! Neutrino can propagate trough CMB = (n ) -1 ~ 4 x cm Above the size of the horizon (H 0 -1 ~10 28 cm)

70 Galactic Halo Extra Galactic

71 EUSO: ISS stationed optics 2 m diameter Fresnel lenses 30 o FoV 3 years data taking Now end of Phase A

72 UHECR Atmoshpere shower Air fluoresence Cerenkov light Reflection from the Earth Attenuation in air

73

74