Fizika

Seminar za nastavnike i profesore �zike

Astro esti na zikaHedim Osmanovi¢

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 1 / 38

Fizika velikih i malih dimenzija

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 2 / 38

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 3 / 38

Elektromagnetni spektar

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 4 / 38

Elektromagnetni spektar

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 5 / 38

Malo historije-Otkri¢e kosmi£kih zraka

Victor Hess 1912(Nobelova nagrada1936)

Balon - potraga zajonizuju¢im zra£enjem

raste sa visinom iznad1.5km

ne dolazi od Sunca, sli£nono¢u i danju

Millikan 1925. daje nazivkosmi£ko zra£enje

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 6 / 38

Malo historije

1960... veliki akceleratori £estica (CERN, SLAC, ...) �>padinteresa za kosmi£ko zra£enje

1964... otkri¢e pozadinskog kosmi£kog zra£enja

1968... otkri¢e charm kvarka- standardni model elementarnih£estica

1980... osciliranje neutrina�> pove¢an interes za kosmi£kozra£enje

1987 po£etak moderne astro£esti£ne �zike

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 7 / 38

Otkri¢e novih £estica

Era kosmi£kog zra£enja

akceleratora

Era velikih

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 8 / 38

Malo historije-Detektori £estica za kosmi£ko zra£enje

1911 Wilsonova komora (maglena komora) (prati tragovekosmi£kog zra£enja)1928 Geigerov broja£1937 nuklearna emulzija (tragovi £estica)1951 mjehurasta komora (eksperimenti sa akceleratorima)poslije 1980 - detektori £estica, teleskopiMAGIC Cherenkov teleskop (gama zraci i neutrino)

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 9 / 38

Astro£esti£na �zika-nova disciplina ili ...

Do 1950 kosmi£ko zra£enje - �zika £estica

Od 1960 kosmi£ko zra£enje - astro�zika

Od 1987 po£etak moderne astro£esti£ne �zike

Status:

Nova disciplina ili interdisciplinarna istraºivanja?

Formirana nova disciplina � nove institucije, £asopisi, fondovi za�nansiranje itd.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 10 / 38

Astro£esti£na �zika - nova disciplina ili ...

Kosmi£ki zraci ranije su istraºivani:

(1920- 1960) �zika £estica

(1960-1987) astro�zika

Metode: kombinovaneModeli: nuklearna & �zika £estica & astro�zikaDetektori: detektori £estica ure�eni kao teleskopiTeorija: Nema vlastitu teorijuBazirana na dva modela (�zike £estica i kozmolo²ki) i dvije�nekompatibilne� teorije, kvantna teorija polja i op¢a teorijarelativnosti.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 11 / 38

�to istraºuje?

Asto£esti£na �zika koristi tehnologiju �zike £estica, astro�zike ikozmologije za prou£avanje astro�zi£kih fenomena.

Prou£ava:

Visokoenergijske procese u svemiru.

Najranije periode svemira.

�Nevidljive� dijelove svemira.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 12 / 38

�ime istraºuje?

DetektorimaTeleskopi-detektori visokoenergijskih kosmi£kih i gama zrakadetektori neutrinadetektori gravitacijskih valova

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 13 / 38

Kosmi£ke zra£enje-fenomenologija?

Zra£enje visoke energije- dopirena Zemlju iz svemira.

Dijeli se na primarno isekundarno.a) Primarno kosmi£kozra£enjeDolazi iz svemira do ZemljineatmosfereSastoji se od atomskih jezgara(89% protoni, 9% helijevejezgre (alfa £estice), 1%ostale)Energija primarnog zra£enjadostiºe 1018eV

Pljusak £estica

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 14 / 38

Kosmi£ke zra£enje-fenomenologija?

b) Sekundarno kosmi£kozra£enje

Nastaje sudarom primarnogzra£enja s jezgrama koje senalaze u atmosferi.

Sudarima se stvaraju mezoni,hiperoni i razli£iti nuklearnidjeli¢i, radioizotopi.

Naelektrisani π mezoni sepretvaraju u stabilnije µ mezone.

Pljusak £estica

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 15 / 38

Kosmi£ke zra£enje-fenomenologija?

b) Sekundarno kosmi£kozra£enje

Neutralni π mezoni pretvaraju seu gama zrake- mogu proizvestielektron-pozitron parove, odaklenastaju visokoenergijski fotoni.

Fotoni su ponovo izvor parovaelektron-pozitron, nastajukaskadne reakcije- izvoripljuskova kosmi£kih zraka.

Pljusak £estica

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 16 / 38

Kosmi£ke zra£enje-energijski spektri

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 17 / 38

Izvori kosmi£kog zra£enja

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 18 / 38

Neutrino

Neutrini su elementarne £estice vrlo male mase(Super-KamiokaNDE 1998).�estica bez naboja i isklju£ivo vezana uz elementarnu slabusilu.Neutrino ima vrlo mali udarni presjek s materijom.(Me�udjelovanje sa materijom vrlo slabo.)U jednoj sekundi kroz na²e tijelo pro�e milijarde neutrina.

Pojedina£na masa £estica neutrina je cca 0.05 eV. (masaelektrona 0.511MeV)

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 19 / 38

Neutrino-malo historije

Pauli 1930 - beta raspad radioaktivnih elemenata

Fermi 1933- dao ime neutrino

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 20 / 38

Neutrino-malo historije

Reines i Cowan 1956 - eksperimentalna potvrda neutrinaIspitivali reakciju νe +p→ n+ e

− (Savannah River reaktor -SAD)Frederick Reines, Nobelova nagrada za �ziku 1995.

Clyde L. Cowan & Frederick ReinesHedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 21 / 38

Kozmi£ka jadikovka

John Updike (1932-2009) ameri£ki knjiºevnik-napisao 1963. godine

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 22 / 38

Neutrino-malo historije

Masatoshi Koshiba, Raymond Davis Jr. nobelova nagrada2002-detekcija kosmi£kih neutrina

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 23 / 38

Neutrino-malo historije

McDonald i Kajita (2015)- nobelova nagrada-otkri¢e oscilacijeneutrina koje pokazuje da neutrino ima masu

Sudbury Neutrino Observatory Collaboration Queen's University, Kingston, Canada

& Super-Kamiokande Collaboration University of Tokyo, Kashiwa, Japan

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 24 / 38

Detekcija - neutrina

Mogu se opaziti samo posredno - pomo¢u drugih £estica kojenastanu me�udjelovanjem neutrina i atoma.

1 Neutralne struje- neutrino ostaje neutrino-emitira drugineutrino izmjenom Z bosona.

2 Nabijene struje - neutrino se transformira u nabijeni lepton,(elektron, muon, (tau)).

Elektronski neutrino stvara elektron, mionski neutrino mion, atau neutrino tau lepton.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 25 / 38

Neutrino

Tri tipa neutrina koji dolaze do Zemlje:

Solarni neutrino - nastaje u jezgri Sunca.

Atmosferski neutrino- nastaje nakon pljuska £estica.

Kosmi£ki neutrino - nastaje u kosmi£kim izvorima.

Vje²ta£ki izvori:

Kod akceleratora, gdje se producira veliki broj slobodnih£estica od kojih se mnoge raspadaju na razne vrste neutrina.

Neutrini producirani kod nuklearne fuzije u komercijalnimatomskim reaktorima.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 26 / 38

Solarni neutrino

Nastaje u jezgri Sunca iz fuzionereakcije

Sudbury Neutrino Detector(SNO), Canada

Sadrºi te²ku vodu, radi naprincipu �erenkovljevog efekta

Interagira s deuterijskimjezgrama- razlikuje νe , ντ i νµ

9600 fotomultiplikatora-analiziraju bljesak koji nastajeinterakcijom te²ke vode ineutrina

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 27 / 38

Atmosferski neutrino

Neutrino koji nastaje raspadompiona i kaona u atmosferi

EksperimentKamiokaNDE-Japan

Sadrºi £istu vodu

Fotomultiplikatori detektirajusvjetlost iz �erenkovljeveradijaciju.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 28 / 38

Kosmi£ki neutrino-IceCube

IceCube-neutrinski opservatorij na Juºnom poluSastoji se od 5160 kuglastih opti£kih senzora pre£nika 35cm.Senzori su smje²teni u led na dubine od 1450m do 2450m.Opservatorij smje²ten na juºnoj hemisferi, a detektira neutrinekoije dolaze s neba iznad sjeverne hemisfere.Godi²nje detektira oko 100 astro�zi£kih neutrina.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 29 / 38

Neutrino-otvorena pitanja

Jesu li neutrini sami sebi anti£estice?

Pona²aju li se neutrini i antineutrini razli£ito?

Kolika je masa neutrina?

Postoje li samo 3 neutrina?

Kako neutrini mije²aju svoje okuse?

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 30 / 38

Zna£aj neutrina

Prou£avanje udaljenih oblasti svemira (fotoni se uni²te ureakciji sa kosmi£kim zra£enjem ili se apsorbuju ume�uzvjezdanoj materiji)

Pomo¢ u obja²njenju asimetrije materije i antimaterije

Neutrini prolaze kroz Zemlju, mogu se iskoristiti zaprou£avanje Zemljine unutra²njosti.

Dati odgovore na mnoga pitanja mikrosvijeta savremenekozmologije.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 31 / 38

Tamna materija, ne emituje niti apsorbuje elektromagnetnozra£enje, ali djeluje s obi£nom materijom kroz gravitacijuTamna energija, ima svojstva energije, ali se ne zna o kojem oblikuenergije se radi, ali se zna da uzrokuje ²irenje svemira.

Sve galaksije i sve sto znamo u svemiru je 4% svemira, NEZNAMO 96% posto svemira ²to je.

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 32 / 38

Tamna materija i antimaterija

100 milijardi

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 33 / 38

Tamna materija-mogu¢i kandidati?

Nije jasno-no poku²ajmo ...Barionska tvar - (barioni-£estice od tri kvarka, jaka nuklearnasila, uklju£uju protone i neutrone)

U obliku astro�zi£kih objekata:sme�i patuljci, crne rupe, MACHO, planeti

Ne barionska tamna tvar (egzoti£ne £estice- sterilni neutrini,aksioni, SuSY stabilne £estice, gravitino, neutralino, aksion)

Velika o£ekivanja od LHC

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 34 / 38

Tamna materija-klasi�kacija prema termalnim svojstvima uranom svemiru

Vru¢a - neutralne £estice male mase relativisti£kih brzina

neutrino (m≈0.01-0.1eV)Topla - £estice postaju nerelativisti£ke u trenutku kada je unutarhorizonta masa reda mase galaksije

sterilni neutrino (m≈10-100keV)Hladna- £estice su nerelativisti£kih brzina

SUSY £estice (m≈100GeV), aksion

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 35 / 38

Hladna tamna materija

�estice hladne tamne materije su masivne, slabo me�udjeluju,isklju£ivo gravitacijski.

WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)

MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object)

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 36 / 38

Razlika tamne materije i tamna energije

Tamna materija

pritisak > 0

stvara nehomogene strukture

javlja se u blizini barionskematerije - galaksije i klasteri

Tamna energija

pritisak <0

homogeno raspodjeljena usvemiru - ne stvara strukture

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 37 / 38

Hvala na paºnji!

Hedim Osmanovi¢, Seminar za nastavnike i profesore �zike Astro£esti£na �zika - Tuzla, 15.01.2019. 38 / 38