Title of talk 1

Gli Enigmi dellaCosmologia Moderna

Pasquale Di Bari(dibari@pd.infn.it)

Padova, 29 Aprile 2008

Title of talk 2

L’espansione cosmologica

22222 )( ldtRdtcds −=Metrica di Friedmann-Robertson-Walker

Principio Cosmologico: universo omogeneo e isotropo

î

fattore di scala

î

1) Legge di Hubble :

propriapropria dtHv )(=RRtH.

)( ≡

1|| −∝ Rpr2) Redshift degli impulsi :

Title of talk 3

Edwin Hubble (1929)

Legge di Hubble al presente: vpropria = H0 dpropria

Hubble Space Telescope Key Project (2001)11

0 500~ −− MpcskmH11

0 )872( −−±= MpcskmH

Title of talk 4

Universo Omogeneo e Isotropo:

W0 > 1 ï = + 1=1 0<1 -1

Geometria… 22222 )( ldtRdtcds −=

equazioni di Einstein ï equazione di Friedmann per la evoluzione del fattore di scala

222

22

1Ω+

−= dr

rdrdκ

lparametrodi curvatura

k = -1 k = 0 k = + 1

….e dinamica:

Gab = 8p G Tab ï 3

8 , R )1( , R3 8

020

020

200

2.2 ρπκκρπ

HGHGR ≡Ω−Ω=−=

W0= Êi Wi (i=photons,baryons,…..)

Title of talk 5

L’ equilibrio termico nell’Universo primordialeAndando indietro nel passato densità ed energie cinetiche aumentano

e quindi anche i tassi di reazione tra particelle, in particolare i processi diionizzazione. C’e’ un tempo prima del quale gli atomi erano completamente

ionizzati e si aveva un plasma di elettroni, fotoni e ioni !

1 Se ⇒<<≡γ

ηnnB

B

Per T0 d 0.26 eV fotoni e materia si disaccoppiano ma la distribuzione diequilibrio termico dei fotoni non viene deformatadall’espansione e continua a valere la legge T0 ∂ R-1

equilibrio termico con T0 ∂ R-1

Alpher and Herman (collaboratori di Gamow ) nel 1948 predissero la esistenza al presente di una radiazione termica

fossile con temperatura T0 ~ 0.26 eV (Rdec/R0) ~ 5 0K

NOTA: Nel `sistema di unita’ di misura naturale dove la costante di Boltzmann k=1 e quindi: 1 0K > 10-4 eV

Title of talk 6

La radiazione di fondo cosmica: spettro

Penzias and Wilson (1965)

Tg0= (3.5 ≤ 1) 0K

COBE satellite

Tg0= (2.725 ≤ 0.002) 0K

FIRAS instrument of COBE (1990)

Title of talk 7

Superficie di ultimo scattering

Title of talk 8

La radiazione di fondo cosmica: anisotropieWMAPCOBE (1992)

WMAP (2003)

Title of talk 9

The Universe observed: Sloan Digital Sky Survey The Universe simulated :

Open problems:• cusps (too much Dark Matter in halo centers ?)• Halo substructure issues (too many satellite galaxies ?)• Halo and galaxy merging (too much galaxy merging ?)

Distribuzione delle Galassie

Title of talk 10

Best fit: il modello LCDM (anche detto ’vaniglia’)

Title of talk 11

(WL, WM) = (0.7 , 0.3)

Diagramma di Hubble : le supernove ad alto redshift di tipo Ia hannopermesso di concludere (1998) che l’espansione dell’Universo al presente

sta accelerando !

(WL, WM) = (0,1)

(WL,WM) = (0, 0.3)

q = 0

L’espansione dell’Universo sta accelerando !

formazione di una SN Ia

Title of talk 12

Il ‘bullet cluster’: evidenza diretta di Dark Matter ?

Dark Matter from

gravitationallensing

Hot gas from X-ray

observations

Durante la collisione, il gas caldo viene ad essere trascinato via dalla zona dove èconcentrata la maggior parte della materia che viene rivelata dall’effetto di lensinggravitazionale. Questo effetto viene spiegato in maniera molto semplice dall’esistenzadi un alone di materia oscura, non collisionale, contenente la maggior parte della massala quale, non interagendo, non viene trascinata via nella collisione.

Title of talk 13

Accordo Cosmologico !

Clusters of galaxies are a laboratory for studying and measuring Dark Matter in a variety of ways: gravitational lensing effects, x-ray, radio, optical ….

Title of talk 14

Il bilancio energetico e di materia al presenteW0= WB,0+ WCDM,0 + WL,0 + Wn,0 + Wg,0 = 1

Title of talk 15

Un Modello Standard Cosmologico ?

Title of talk 16

Thermal history of the Universe

Title of talk 17

Title of talk 18

Il Modello Standard delle Interazioni Fondamentali

Title of talk 19

C’è accordo tra Fisica delle Particelle e Cosmologia ?

“Particle-Cosmology”

L’ unione ha dato frutti ormai storici :

George Gamow(1904-1968)

Big Bang NucleosynthesisSpettro termico della CMB Accordo sul numero di famiglie (3) !

(4 Mar 2008)

Ma ora può il Modello Standard soddisfare le richieste del LCDM ?

NO !NO !

Title of talk 20

Gli enigmi della Cosmologia Moderna1.1. Dark matterDark matter

2.2. Matter Matter -- antimatter asymmetryantimatter asymmetry

3.3. InflationInflation

4.4. Accelerating UniverseAccelerating Universe

ï grave conflitto tra SM e LCDM !Tutto ciò può apparire scoraggiante ma in realtà rende tutto

molto intrigante:c’è tanta NUOVA FISICA da scoprire negli anni futuri !

Title of talk 21

Dark Matter

I neutrini ordinari si comportano come HOT Dark Matter e quindi non sono buoni candidati ed anzi per non rovinarel’accordo del modello LCDM con i dati si ha un limiteSuperiore sulla somma delle masse molto restrittivo

Si è a lungo pensato di risolvere questo enigma anche modificando l’usualedinamica Newtoniana (MOND) ma non funziona ed oggi l’idea di gran lunga piùsemplice è spiegare la DM in termini di una nuova Particella che interagiscedebolmente e che sia abbastanza pesante da muoversi lentamente al tempo della cosiddetta `equivalenza radiazione-materia’

(T ~ 3 eV ) ï Cold Dark Matter (Mt10KeV)

Title of talk 22

Matter-antimatter asymmetry• E’ possibile pensare che l’Universo è in realtà simmetrico ma

l’anti-materia per qualche motivo si trovi lontana da noi ?

Soluzione esclusa da spettro termico CMB + Raggi Cosmici

⇒ ηΒ = (6.3± 0.3) x 10−10 >> ηΒ

• Pre-existing ? It conflicts with inflation !

⇒ dynamical generation (baryogenesis)

• A Standard Model Solution ? ηΒ ¿ ηΒ : too low !

ï C’è bisogno di Nuova Fisica !ï C’è bisogno di Nuova Fisica !

Inflation

Title of talk 23

• It solves the well known problems of ‘old’ cosmology (horizon problem, flatness problem, initial conditions, spectrum of primordial perturbations…)

• supported by CMB data• On the other hand it leads to serious problems that

require to go beyond the SM:- where inflation comes from ? what is the inflaton ?

- flatness of the potential

- trans-Planckian scales inside the horizon

- does not solve the problem of singularity

(it is only shifted at earlier times)

- cosmological constant problem (the large quantum vacuum energy of field theories does not gravitate today and thus we do not want it….but it is necessary for inflation !)

Accelerating UniverseMany different proposed explanations:

Title of talk 24

• C.C. Λ ? Why small ? -SUSY breaking

- Anthropic principle (Weinberg (Weinberg ’’87)87)

-- only the fluctuations of the vacuum energy contribute to L and not its absolute value ((ZelZel’’dovichdovich 67)67)

• Quintessence ?A light scalar field still rolling down:

w ≠ −1 in general

Without Dark Energy• modifying gravityAt large distances, motivated in brane world scenarios (Dvali,Gabadadze,Porrati `00)

• without modifying gravity attempt to explain acceleration without new physics:acceleration would arise frominhomogeneities inside the horizonit would solve the coincidence coincidence problemproblem but……..unfortunately it is unlikely to work !

With Dark Energy

Title of talk 25

Pausa di riflessione:Experimental long-standing issues have been solved and with the LCDM we have a robust model to explain all cosmological observations but ……... it relies on some ‘ingredients’ that, though nicely translated in a particle physics ‘language’, cannot be understood within the SM !

In other words: cosmologists have cleaned their room but they swept away all the dust in the particle physicists lounge !

How to extend the Standard Model of Particle to How to extend the Standard Model of Particle to solve the cosmological puzzles ?solve the cosmological puzzles ?

Title of talk 26

Neutrini !

Title of talk 27

I neutrini hanno massa !Lo sappiamo (1998) dagli esperimenti di oscillazione dei neutrini

(atmosferici, solari, reattori, long base-line,…)

m1 < m2 < m3

WMAP 5 :

m1+m2+m3d0.6 eV

I neutrini sono molto più leggeri di tutti gli altri fermioni !

Title of talk 28

Title of talk 29

L

WDM

hBfinflaton

mn

Le masse dei neutrini possonorisolvere gli enigmi cosmologici ?

Title of talk 30

Meccanismo del see-saw

MRWDMhB

mn

mν

m

M

SEE-SAW

Predice l’esistenza di neutrini `right-handed’ Ni con masse Mi tipicamente molto maggiori di ogni altra massa di particelle standard !

Title of talk 31

Leptogenesi: la rivincita !

CP asymmetry

If εi ≠ 0 a lepton asymmetry is generated from Ni decaysand partly converted into a baryon asymmetry by sphaleroprocesses if if TTrehreh tt 100 100 GeVGeV !!

M, mD, mn are complex matrices ïnatural source of CP violation

Title of talk 32

Supersimmetria- Postula una simmetria tra bosoni e fermioni;

( gli operatori del gruppo di simmetria trasformano stati fermioniciin bosonici). Alcuni importanti ‘problemi’ del Modello Standard

vengono “naturalmente” risolti in questa teoria (es.: stabilita’ dellamassa del bosone di Higgs rispetto alle correzioni radiative)

Tipicamente il `neutralino’ c

Title of talk 33

Fornisce una risposta sempliceall’enigma della Materia Oscura

Ωχ h2> 10-3

<(σannih.) V χ > TeV2

Ωχh2 in the range 10-2 -10-1 to be cosmologically interesting (for DM)

mχ ~ 102 - 103 GeV (weak interaction) Ωχh2 ~ 10-2 -10-1 !!!

~ α2 / M2χ

Title of talk 34

Bariogenesi elettro-debolecontro Leptogenesi !

La bariogenesi elettrodebole richiede una transizionedi fase fortemente del primo ordine !

LEP lowerLEP lowerboundbound

Title of talk 35

Teorie di Grande Unificazione

Neutrini Right-Handed e supersimmetria possono

coesistere insieme

ï Leptogenesis + supersymmetric DM ?Predicono il decadimento del protone !

A very hot Universe for leptogenesis ?

Title of talk 36

Title of talk 37

C’è una teoria che risolve tutto(ma non troppo) ?

Un candidato naturale: la teoria di stringhe

Title of talk 38

Molti altri pretendentiper la cosmologia:

• Extra-dimensions

• Mirror matter

• Technicolor

• …………………..

Title of talk 39

Ed ora ? La parola agli esperimenti• Colliders: LHC• Fisica dei neutrini:

- Neutrino oscillations (CNGS,K2K,Double Chooze, Daya,Bay,..), - bb0n (CUORE,Gerda,..), Misure

- Misure dirette massa assoluta (Katrin)

• Cosmologia (Planck,GLAST,MAGIC,DUNE,..)

• Violazione di flavor leptonico (MEG,..