Модель Большого Модель Большого взрывавзрыва.. Реликтовое фоновое Реликтовое фоновое

излучение. излучение.

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2011 года за открытие ускорения расширения Вселенной стали американцы Сол Перлмуттер из Университета Калифорнии в Беркли и Адам Райес из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, а также Брайан Шмидт из Австралийского национального университета

Современные Современные представления теории представления теории

Большого взрыва Большого взрыва По современным представлениям, наблюдаемая намиПо современным представлениям, наблюдаемая нами

Вселенная возникла Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд13,73 ± 0,12 млрд лет назад из лет назад из начального «сингулярного» состояния с температурой начального «сингулярного» состояния с температурой

примерно примерно 10103232 K K ~~ 10 101919 ГэВ ГэВ ((Планковская температура), ), плотностью около плотностью около 101093 93 г/см³г/см³ ( (Планковская плотность), ), и и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Ранняя Вселенная представляла собой Ранняя Вселенная представляла собой термодинамически термодинамически равновесную, однородную и равновесную, однородную и изотропную среду изотропную среду

с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением.давлением.

В результате расширения и охлаждения во Вселенной В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходыпроизошли фазовые переходы,, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно

к к элементарным частицам..

Приблизительно через 10−43 секунд после Большого взрыва наиболее слабое гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий, так как не успевало поддерживать термодинамическое равновесие с другими взаимодействиями. При этом электро-слабое и сильное взаимодействия продолжают оставаться одинаково сильными – GUT эра.

Отщепление гравитационного взаимодействия вызвало фазовый переход и привело к экспоненциальному R ~ e Ht расширению Вселенной, где Н – «постоянная» Хаббла.

НО – современное значение постоянной ХабблаДанный период получил название Космической инфляции.

V=H0·r- закон Хаббла H0= 71±3±7 km/(c•Мпк)

Время Эпоха СобытиеВремя от

сегодняшнего момента, лет

0 Сингулярность

Большой взрыв 13,7 млрд.

10-43 с Планковская эпоха

Рождение частиц с планковской массой 13,7 млрд.

10-43 — 10-35 с Эпоха Великого объединения

Отделение гравитации от объединённого электрослабого и сильного взаимодействия. Возможное рождение монополей. Разрушение Великого объединения.

13,7 млрд.

10-35 — 10-31 с Инфляционная эпоха

Из вакуума быстро рождаются частицы (кварки и глюоны, лептоны, фотоны), Вселенная экспоненциально увеличивает свой радиус на много порядков. Вторичный нагрев. Бариогенезис.

13,7 млрд.

10-31 — 10-12 с Электрослабая эпоха

Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой, лептонами, фотонами, W- и Z-бозонами, бозонами Хиггса. Нарушение суперсимметрии.

13,7 млрд.

10-12 — 10-6 с Кварковая эпоха

Электрослабая симметрия нарушена, все четыре фундаментальных взаимодействия существуют раздельно. Кварки ещё не объединены в адроны. Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой, лептонами и фотонами.

13,7 млрд.

10-6 — 1 с Адронная эпоха

Адронизация. Аннигиляция барион-антибарионных пар. Благодаря CP-нарушению остаётся малый избыток барионов над антибарионами (около 1:109).

13,7 млрд.

1 секунда — 3 минуты

Лептонная эпоха

Аннигиляция лептон-антилептонных пар. Распад части нейтронов. Вещество становится прозрачным для нейтрино.

13,7 млрд.

3 минуты — 380 000 лет

Протонная эпоха

Нуклеосинтез гелия, дейтерия, следов лития-7 (20 минут). Вещество начинает доминировать над излучением (70 000 лет), что приводит к изменению режима

расширения Вселенной. В конце эпохи (380 000 лет) происходит рекомбинация водорода и Вселенная становится прозрачной для фотонов теплового излучения.

13,7 млрд.

380 000 — 150 млн лет

Тёмные ВекаВселенная заполнена водородом и гелием, реликтовым излучением, излучением атомарного водорода на волне 21 см. Звёзды, квазары и другие яркие источники отсутствуют.

13,55 млрд.

150 млн — 1 млрд лет

РеионизацияОбразуются первые звёзды (звёзды популяции III), квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Реионизация водорода светом звёзд и квазаров.

12,7 млрд.

8,9 млрд лет

Эра вещества Образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе4,8 млрд.

9,1 млрд лет

Эра веществаОбразование Земли и других планет нашей Солнечной системы, затвердение пород

4,6 млрд.

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

WMAP – NACA apparatus: данные 3-х летних измерений.движение солнечной системы в Галактике и галактический фон вычтены. Галактические координаты.

θθ

φφ-180 +180

90

0

Восстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображениями Галактики, радиоисточников и дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области

3 years

Положение первого пикасоответствует Евклидовойпространственной геометрии

The multipole index l corresponds to angular scales of ~180° / L)

Cosmological Parameter Summary WMAP(5 years)

Description Symbol WMAP-only WMAP+BAO+SN Parameters for Standard CDM Model aAge of universe t0 13.69 ± 0.13 Gyr 13.72 ± 0.12 GyrHubble constant H0 71.9+2.6−2.7 km/s/Mpc 70.5 ± 1.3 km/s/MpcBaryon density Ωb 0.0441 ± 0.0030 0.0456 ± 0.0015Dark matter density Ωc 0.214 ± 0.027 0.228 ± 0.013

Dark energy density ΩΛ 0.742 ± 0.030 0.726 ±

0.0Redshift of decoupling z* 1090.51± 0.95 1 090.88± 0.72Age at decoupling t* 380081+5843−5841 yr 376971+3162−3167 yrReionization optical depth 0.087 ± 0.017 0.084 ± 0.016Redshift of reionization zreion 11.0 ± 1.4 10.9 ± 1.4Age at reionization treion 427+88−65 Myr 432+90−67 Myr

Parameters for Extended Models eTotal density f tot 1.099+0.100−0.085 1.0050+0.0060−0.0061Equation of state g w −1.06+0.41−0.42 −0.992+0.061−0.062

Космологическое красноекрасное смещениесмещение

Излучение

Прием

Красное смещение длягалактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию(закон красного смещения, или закон Хаббла).

SN 1994D, a nearby supernova imaged with the Hubble Space Telescope

High redshift supernovae observed with the Hubble Space Telescope.

The Hubble diagram for SN Ia. The lines show the predictions for cosmologies with varying amounts of Ωm and ΩΛ L. The observed points all lie above the line for a universe with zero Λ. Thelower panel, with the slope caused by the inverse square law taken out, shows the difference between the predictions more clearly and shows why a model with ΩΛ > 0 is favored.

NEUTRINO ASTRONOMY

AND ASTROPHYSICS

Why is neutrino Why is neutrino astronomy interesting?astronomy interesting?

protonsprotons,, --raysrays,, neutrinosneutrinos, as, as

probes of the high-energy Universeprobes of the high-energy Universe

protons: directions scrambled by magnetic fields

-rays : straight-line propagation but

reprocessed in the sources, extragalactic

backgrounds absorb E > TeV

neutrinos: straight-line propagation,

unabsorbed, but difficult to detect

1.

2.

3.

RadiationEnvelopingBlack Hole

Black Hole

p + -> n + +

~ cosmic ray + neutrino -> p + 0

~ cosmic ray + gamma

NEUTRINO BEAMS: HEAVEN & EARTHNeutrino Beams: Heaven & Earth

Сверхновая SN 1987A at LMC

Временной и энергетический спектры нейтрино от SN 1987A, полученных на детекторах Камиоканде II(а), Баксан(b), IBM(с) и Монблан(d). SN 1987A находится на расстоянии 150 000 св. лет в Большом Магеллановом Облаке (LMC)

Энергии нейтрино от SN 1987A, полученные на детекторах Камиоканде II, Баксан, IBM. Время первого события в каждом из детекторов соответствует t = 0.

Детектор Детектор SuperKamiokandaSuperKamiokanda

SNOSNO

Детектор БАЙКАЛДетектор БАЙКАЛ

The SiteThe Site

4 cables x 4km to shore.4 cables x 4km to shore. 1070m depth 1070m depth

3600 m

1366

m

NT-200

Absorption length: ~25mAbsorption length: ~25mScattering length: 30-60 mScattering length: 30-60 m

Detection volume >> geometrical volumeDetection volume >> geometrical volume

Ice as a natural Ice as a natural deployment platformdeployment platform

Ice stable for 6-8 weeks/year: Ice stable for 6-8 weeks/year: Maintenance & upgrades Maintenance & upgrades Test & installation of new Test & installation of new

equipmentequipment

-8 strings: 192 optical modules 96 measuring channels T, Q measure *Timing ~ 1 nsec *Dyn. Range ~ 103 ph.e.

Effective muon-area: 1 TeV~2000m² Eff. shower volume: 10TeV~ 0.2Mt

Quasar PMT: d = 37cmQuasar PMT: d = 37cmHeight x = 70m x 40m, Vgeo=105m3=

0.1Mton

Experimental limits + bounds/ predictions

SS - Stecker, Salamon96 (Quasar)SeSi - Semikoz, Sigl (Models/Expts. are rescaled for 3 flavours)

Diffuse Neutrino Flux Limits + ModelsDiffuse Neutrino Flux Limits + Models

Estimated present-day ν-flux from all SN in our past~ 10 cm-2 s-1

The best current experimental limits on the flux of diffuse high-energy cosmic neutrinos of all three types.

NT200+ (2005 – 2006)NT200+ (2005 – 2006)

36 additional PMTs on 3 far ‘strings‘ 4 times better sensitivity

Improve cascade reconstruction

Improve sensitivity to cascades with sparse additional instrumentation.

Vgeom ~ 4 ·106 m3

Eff. shower volume: 104 TeV ~ 10 Mton

Expected -sensitivity (3 yrs NT200+) E2 ФV < 2 · 10-7 GeV cm-2 s-1 sr-1

Calibration and time Calibration and time synchronisation with synchronisation with

laserlaser 100m

100m

X2X1

X3

100m

Laser is visible >200m with high Ampl. (NT200 and Laser is visible >200m with high Ampl. (NT200 and Ext.strings)Ext.strings)

Laser intensity : cascade energy:

(1012 – 5 1013 ) : (10 – 500) PeV

NT200+ time resolution

NT200+ Because of the small light scattering in water, wave fronts are preserved over 100 m or more and leads to moreeffective visible volume

Top: the central trigger electronics in its pressure glass spheres, ready to descend into Lake Baikal. Bottom: a pair of light sensors in water about 10 m below the ice cover of the lake, before deployment to a depth of 1.1 km

Atmospheric Muon-NeutrinosAtmospheric Muon-Neutrinos

Skyplot of NT200 neutrino events for 5 years (galactic coordinates)

372 Neutrinos in 1038 Days (1998-2003)385 events from Monte-Carlo

EETHRTHR 15-20 GeV 15-20 GeV

A future Gigaton Volume Detector A future Gigaton Volume Detector (BAIKAL-GVD)(BAIKAL-GVD)

Sparse instrumentation:91 strings with 12/16 OM = 1308 OMs (NT200 = 192 OMs) effective volume for >100 TeV cascades ~ 0.5 - 0.8 km³ muon threshold between 10 and 100 TeV

Top view of the planned BAIKAL-GVD detector. Top view of the planned BAIKAL-GVD detector. Also shown is basic cell: a “mimimized” NT200+ Also shown is basic cell: a “mimimized” NT200+

telescopetelescopeExpected energy reconstruction for Expected energy reconstruction for

cascades detected by GVDcascades detected by GVD

21 Institutes from6 European countries

40 km submarine cable

-2475m

ANTARES shore station

ANTARES Collaboration & ANTARES Collaboration & detector sitedetector site

70 m70 m

4450 m50 m

JunctionJunctionBoxBox

Interlink cablesInterlink cables

40 km to40 km toshoreshore

2500m2500m• 900 PMTs • 12 lines• 25 storeys / line• 3 PMTs / storey

The ANTARES apparatus The ANTARES apparatus

Детекторы Детекторы IceTop+ IceTop+ IceCubeIceCube

Amundsen-Scott South Pole station

South PoleDome

Summer camp

AMANDA

road to work

1500 m

2000 m

[not to scale]

AMANDA Physics TopicsAMANDA Physics Topics

Astrophysics / Cosmology / Particle Physics

Primary CR spectrum

atmospheric muons / neutrinos (also calibration of AMANDA)

CR composition (with surface detector SPASE-2)

CR origin (acceleration sites: AGN, GRBs)

extra-terrestrial flux (diffuse / focused / punctual / transient) @ >TeV energies

Dark matter / exotic particles: neutralinos, magnetic monopoles, extra dim.

WIMP signature: excess from center of Sun/Earth

topological defects: extra-terrestrial UHE diffuse flux

SN monitor of the Milky Way

burst of low-energy neutrinos (global noise rate increase)

IceCube Neutrino Observatory Neutrino Telescope & 3D Cosmic Ray

Detector

IceTop IceTop StationStation

• 2 tanks per station• 1 tank hit muon, e or γ• both tanks hit air shower

2005 4 stations

2006 12 stations

2007 10 stations

2008 14 stations

2009 19 stations

IceTop-26

IceTop-40

IceTop-59

IceTop Deployment 2005-2010

The array will be completed with8 more stations in 2011

2009 14 stations IceTop-73

IceTop-26 Reconstruction

Lateral shower profile at 125m

S125 : signal at r = 125m

β : slope at r = 125m

κ = 0.303 fixed

Fluctuations extracted from data

Likelihood function from data & simulation-- untriggered stations are also accounted for

Direction reconstruction : curved shower front

m

r

m

rSrS

125log

125

10

125)(

S. Klepser et al.,ICRC07arXiv:0711.0353

m

r

m

rSrS

125log

125

10

125)(

IceTop-73

IceTop/IceCubecoincident shower293 PeV @5 deg

The first muon – IceTop The first muon – IceTop shower coincident shower coincident

eventeventJanuary 23First runs with the four IceTop stations (8 tanks) taken

January 29 1:31 NZT First IceCube string deployed

February 9First shower/muon coincidence events found

6

IceTop-73

IceTop array is 92% complete with 73 stations out of 81 deployedData taking started on Jun 1 2010

Differential rate of Energy proxy E*

8 or more station triggers

total rate = 1 Hz

First look at the high multiplicity data above 1 PeV

reconstructed shower rate 1 Hz

expect to see ~10 events per month above 300 PeV

IceTop-40/IceCube

Direction Resolution

Core resolution ~ 12-14 m Angular resolution < 1°

Atmospheric neutrinos

►Neural Network energy reconstruction

►Regularized unfolding → energy spectrum

How much E-2 cosmic ν signalallowed withinuncertainty?

PRELIMINARY

First spectrum > 1 TeV (up to 300 TeV)- matches lower-energy Frejus data

AMANDA test beam(s): atmospheric ν (and μ)

Energy spectrum in detector

E2μ(E) < 2.6·10–7 GeV cm-2 s-1 sr-1 Includes 33% systematic uncertainty

determine statistics in last bin with MC→ confidence belts (FC)

Limit on diffuse E-2 νμ flux (100-300 TeV):

Kirsten Muenich

Preliminary results – Preliminary results – galactic plane search galactic plane search

No excess observed

The arrival direction of cosmic-ray muons recorded with 40 IceCube strings (Southern Hemisphere). The variations are of order 10−3 on a uniform distribution. The color scale represents the relative intensity. The dots indicate the directions of Vela, the brightest gamma-ray source in the sky, and Geminga. Also shown is the muon data of Milagro obtained by the same method (Northern Hemisphere).

Medium scale anisotropy

IceCube

Milagro

Using only 4.3 billion downward-going events from half the detector, the IceCube data show an anisotropy in excess of 5σ in the arrival directions of the cosmic rays. The deviation from isotropy is at the 0.1% level. The median muon energy is about 20TeV and the primary energies of the Galactic cosmic rays that produce them are even higher.

This is a puzzling result, as the arrival directions of charged particles of such energy should be scrambled by Galactic magnetic fields.

Note that it is a challenge, possibly to common sense: the gyroradius of particles with energy exceeding 100 TeV in a microGauss field is less than 0.1 pc compared to the distances to nearby sources such as Vela that exceed 100 pc.

It is impossible to conclusively pinpoint supernova remnants as the sources of cosmic rays by identifying accompanying gamma rays of pionic origin. Detecting the accompanying neutrinos would provide incontrovertible evidence for cosmic ray acceleration in the sources.

In the absence of observation of TeV-energy supernova remnant neutrinos by IceCube, the nature of sources that produce cosmic rays near the knee of the spectrum is likely to remain unresolved until the commissioning of next-generation gamma ray detectors such as HAWC and CTA.

A Distant GRB

CGRO

IceCube

AMANDA

γ, ν

ν

IPN Satellites(HETE, Swift, etc.)

GRB timing/localization informationfrom correlations among satellites

GRBs

55 in 5 years of IceCube … in 5 years of IceCube …IceCube image of our Galaxy IceCube image of our Galaxy > 10 TeV> 10 TeV

Practically all current GRB models predict bursts of very high energy neutrinos, with energy ranging from 100TeV to 104TeV (possibly up to 106TeV), that should accompany GRB. As the energy of these neutrinos are orders of magnitude higher than the energies of photons observed from cosmological distances, the corresponding time delays are longer and can open a new window on the Lorenz Invariance Violation (LIV) parameter space.

At this energy range the background level of currently constructed neutrino detectors is so low that a detection of a single neutrino from the direction of a GRB months or even years after the burst would imply an association of the neutrino with the burst and will establish a measurement of a time of flight delay. Such time of flight measurements provide the best way to observe (or set limits) on LIV. Detection of a single GRB neutrino would open a new window on LIV and would improve current limits by many orders of magnitude.

The 1637 bursts detected over an effective exposure time of 2.62 years and recorded in the BATSE 4B Catalog have an average fluence of 1.2 • 10−5 ergs/cm2. Assuming that the emitted neutrinos fluence is one tenth that observed in photons (a reasonable assumption concerning the relevant interactions), we obtain an average GRB induced flux of 5 x 1018 eV/(km2yr). Using the most likely value of E ≈ 100TeV and a detection probability of 10−4 in a km3 detector, we estimate a detection rate of 5 events per year.

GeoneutrinosGeoneutrinos

Geoneutrino Geoneutrino discovery announced discovery announced by KamLAND by KamLAND

Discovery of non-Discovery of non-cosmic rays!cosmic rays!

Регистрация геонейтрино позволит исследовать глубинный состав земных пород

Средний поток Φ ≈ 80 mW/m2Полный тепловой поток: HЕ = (30 - 46) TWHE = 44±1 TW (Pollack 1993)HE = 31 ±1 TW (Hofmeister et al 2005)(анализ одних и тех же данных)

Конвекция мантии отвечает за сейсмическую активность: движение тектонических плит, землетрясения, извержения вулканов

Bulk Silicate Earth (BSE) Описание современной системы кора+мантия Массовые отношения: M(Th)/M(U) = 3.9,

M(K)/M(U)≈104, Распространенность U = 2∙10-8. Два предельных случая:

• Fully radiogenic model - Полностью радиогенное происхождение тепла – максимальный поток нейтрино

• Minimal radiogenic model - Принимаются в расчет только вклады от коры и верхней мантии, где концентрация U и Th хорошо измерена

Геореактор – 5-10 ТВ в ядре или на границе ядро-мантия

1 TNU = 1 event per 1032 target nuclei in 1 yr