1 Lob der Asymmetrie in der Welt der Teilchen und im Universum Gerhard J. Wagner Physikalisches Institut Universität Tübingen

1

Lob der Asymmetrie

in der Welt der Teilchen und im Universum

Gerhard J. WagnerPhysikalisches InstitutUniversität Tübingen

03.06.2002 Lob der Asymmetrie 2

Kosmologie als empirische Wissenschaft

Urknallmodell als moderner Schöpfungsmythos

Die Welt im Größten und im Kleinsten:-Kosmologie und Teilchenphysik

Entwicklung der Kosmologie zur empirischen Wissenschaft-Neue Fenster zum Weltall und Supercomputer-Sonderrolle: Universum einmalig

Was hat das mit Symmetrie zu tun?


Inhalt

1. Symmetrie in der Teilchenphysik

2. Symmetrien in der Kosmologie

3. Erfolge und Probleme des Urknallmodells

4. Strukturen im Kosmos

5. Überraschung bei Supernovae

6. Dominanz von Materie über Antimaterie


1.Symmetrie bei den Kernbausteinen

Bausteine der Atomkerne:

Neutronen q = 0 Protonen q = 1eBis 1964 einige hundert verwandte (kurzlebige) Teilchen im Zoo der Elementarteilchen

Seltsamkeit

Charme

el.Ladung


Quarkmodell

Jedes dieser Baryonen ( =„schwere Teilchen“) enthält 3 Quarks (Gell-Mann und Zweig )

z.B. Proton = uud Neutron = udd Atomkerne (baryonische Materie)

Keine freien Quarks ! Drittelzahlige Ladung bestätigt durch Experimente

6 Quarktypen u.a.: up Ladung: +2/3 e down - 1/3 e strange - 1/3 e und Seltsamkeit charm +2/3 e und Charme

PhysikalischesPhysikalisches

Physikalisches Institut Uni T:

Physikalisches Institut Uni T:


Teilchen – Antiteilchen Symmetrie

Elektron – Positron

Masse gleich auf 8 ppb

Ladungsbetrag gleich auf 40 ppb

Proton – Antiproton Masse, Ladungsbetrag gleich auf 500ppb

Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen

Masse und Lebensdauer gleich

Gegenseitige Vernichtung/Zerstrahlung


2. Kosmologie

Kosmologisches Prinzip (Einstein, 1915): Weltall ist homogen und isotrop

2 Mio Galaxien auf 10% des Himmels bis zu einer Tiefe von 2 Mrd Lichtjahren

Translations-und Rotations-symmetrie !


Methode: Rotverschiebung von Spektrallinien Doppler-Effekt

Fluchtbewegung

Hubble (1929) entdeckt Fluchtbewegung derGalaxien

MpcskmH

rHv

/680

je weiter entfernt, umso rascher die Flucht

Beobachter nicht ausgezeichnet!!Verschiebung von Ca-Linien bei 5 Galaxien


Modell des Urknalls

Das Weltall hat einen Anfang. Vor 12 bis 16 Mrd Jahren „Explosion“ aus einem Punkt der Raumzeit:

Urknall = Big Bang (George Gamow 1948)

Danach Ausdehnung gegen die Schwerkraft

Geometrische Interpretation der Rotverschiebung

)(/1 0 emtLLz


Rotverschiebung und Alter

Blick in die Ferne ist zugleich ein Blick in die Vergangenheit.

Abhängigkeit der Rotverschiebungvom Zeitpunkt* der Emission z

______*)Im Detail vom Weltmodell abhängig

)(/1 0 emtLLz


Temperaturentwicklung


3.Erfolge und Probleme des Urknallmodells

1. Rotverschiebung

2. Bildung und Häufigkeit der primordialen Atomkerne

3. Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung

Erfolge betreffen Zeiten größer als 1s


Primordiale Nukleosynthese

Urknallmodellbeschreibt erfolgreichdie Nukleosyntheseder leichtesten Elemente

Einziger Parameterist dabei das Verhältnis vonBaryonen- zu Photonen-zahl :

100 104

10 100 1000 s 2.8 h

10-2

10-4

10-6


Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung

1948 von Gamow vorhergesagt.1965 von Penzias und Wilson zufällig entdeckt.

Eigentlich:Wärmestrahlung von 3000Kjedoch rotverschoben um Faktor 1100

Ausgesandt bei t= 400 000 a als der Kosmos durchsichtig wurde. FrühestesSignal vom Urknall.

Daraus ergibt sich (für heute):Photonendichte n = 4.1 108 / m³Baryonendichte nB= 0 .17 / m³

Wärmestrahlung von 2.7281 Kmit extremer Genauigkeit

GHz

mm

150

2

max

max


Isotropie der Hintergrundstrahlung

Resultate von COBE (1992)

Temperaturdifferenzenvon etwa 20 d.h.

*)nach Korrektur auf Pekuliarbewegung der Erde

Winkelauflösung 7° x 7°(200 Vollmondscheiben).

Isotropie ist eine gute Annahmeauf dieser Skala:


Probleme des Urknallmodells

1. Horizontproblem

2. Flachheitsproblem

3. Monopolproblem

4. Strukturbildung

Lösung (A. Guth ; A. Linde):Auftreten einer inflationären Phase: der Kosmos dehnt sich zwischen 10-34 s und 10-32 s um den Faktor 1030 aus


Horizontproblem

Zwei Signale, die uns heute erreichen, sind im Standardmodell nicht kausal verknüpft.


Lösung des Horizontproblems

...es sei denn, es gab eine inflationäre Phase, in der sich das Universum mitÜberlichtgeschwindigkeitausdehnte


Flachheit im inflationären Modell

Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt (Eddington 1919)-also auch durch die Massen im Weltall.

Wenn Lichtstrahlen per definitionem„geradeaus“ laufen sollen,bedeutet das, dass der Raum u.U. gekrümmt ist.

Das Inflationsmodell sagt ein „flaches“ Universum voraus (Abb.).

Unverständlich im Standardmodell, weil sich jede ursprüngliche Abweichung von der Flachheitbeliebig verstärken sollte.krit Vorhersage:


4. Strukturen im Kosmos

Symmetriebrechung:

Weltall nicht homogen(zum Glück für uns)


Die Winkelauflösung von Boomerang

Probleme: -gute Winkelauflösung für cm- und mm-Wellen mit Richtantennen -Infrarotuntergrund von Umgebung und Milchstraße


Start des Boomerang Ballons

10 Tage in 38 km Höhe um den Südpol


Ergebnisse von Boomerang


Ergebnis zur Raumkrümmung

Der Raum ist euklidisch (flach)

wie vom inflationären Modell vorhergesagt.

Methode:ein sphärisch gekrümmterRaum vergrößert- wie eineSammellinse

06.01 krit


Leistungsspektrum der Hintergrundstrahlung

stützt das inflationäreUrknallmodell

1° 1/2° 1/3°


5. Aktuelle Ergebnisse von fernen Supernovae

Überwachung ferner Galaxien

Zwar alle 300 Jahre eine Supernova pro Galaxie, aber:

ein Ausschnitt von Vollmond-größe zeigt nach 5 MinutenBelichtung 5000 Galaxien


Ferne Supernova

Wo ist die Supernova?Rotverschiebung z=0.66


Beschleunigte Expansion?

Ferne Supernovae vom Typ 1a zeigen eine kleinere Rotverschiebung als aufgrund ihrer Helligkeit, d.h ihres Abstands erwartet: Sie entfernen sich langsamer!

Da sie alt sind, könnte dies bedeuten, dass das Weltall früher langsamer expandierte als heute. Beschleunigung widerspricht dem Standard-Urknallmodell.

Möglicher Hinweis auf Antigravitation ( bei großen Abständen)


Folgen für das Weltalter

a)konstante b)verzögerte c)beschleunigte Expansion

Weltalter damit möglicherweise größer als angenommen.

Gleichmäßige Verzögerte Beschleunigte Expansion

Zeit

Räumliche Ausdehnung


Einsteins Kosmologische Konstante

Zeldovich (1965): Vakuumenergie

Heute: Skalares Feld

„Dunkle Energie“

Antigravitation


Dichteverteilung

kos.Kon.

Baryonen leuchtend

dunkleM kos.Kon.dunkleMBaryonenleuchtend

leuchtend

Dunkle Energie

Dunkle Materie

Baryonen

krit )1.01(


Schicksal des Universums

Beschleunigte Expansionwahrscheinlich

Das sichtbare Universumwird sehr leer werden


Dichtefluktuationen

Aus Quantenfluktuationenentstanden in der InflationSaatgalaxien

Nach Hinweisen auf Inflation zurück zum Strukturproblem:Durch Gravitation keine Strukturen aus einem homogenenSubstrat

Im heißen Zustand desfrühen Universumsbilden und vernichtensich laufend Teilchen.

Es entstehen statistischlokale Dichteerhöhungenvon mikroskopischer Größe sog. Quantenfluktuationen


Entstehung von Strukturen

Im Jahre 400 000, als das Universum etwa 1/1000. seiner heutigen Größe hatte, war das Volumen, das heute die Milchstraße bildet, etwa 0.5% dichter als die Nachbarregionen.

Nachricht von solchen Dichteunterschieden in der kosmischen Mikrowellenstrahlung: Flecken etwas kühler.

Dieser Flecken expandierte etwas langsamer wegen der Gravitationsanziehung.Folge:Dichteunterschied nahm zu. Nach 15 Mio Jahren (z=100) auf etwa 5%.


Galaxien-Entwicklung

Blicke indie tiefeVergangenheit


Grobstrukturen im UniversumFilamente, Wände und Lücken

Typische Lochdurchmesseretwa 25 Mpc.

Homogenität also erst bei Mittelungüber gewaltigeSkalen(<150 Mpc)


Tatsächliche Grobstrukturen


Bisherige Ergebnisse

1. Das sichtbare Universum ist wahrscheinlich euklidisch (flach).

2. Es expandiert möglicherweise sogar beschleunigt.

3. Die baryonische Materie macht nur wenige Prozent des Universums aus. Wir kennen wederdie dunkle Materie, noch die dunkle Energie.

4. Strukturen sind vermutlich durch Inflation aus mikroskopisch kleinen Quantenfluktuationen entstanden.


6. Dominanz der Materie

-Eine weitere für unsere Existenz wichtige Asymmetrie: Im Universum bisher keine Inseln von Antimaterie entdeckt

-Diese Asymmetrie ist nur scheinbar extrem.Tatsächlich gab es 1 Mikrosekunde nach dem Urknall eine minimale Asymmetrie:

Pro (1Mrd + 1) Quarks gab es 1Mrd Antiquarks

Hieraus entwickelte sich die baryonische Materie im Universum.

Rest steckt in Hintergrundstrahlung


Problem für die TeilchenphysikUrsprünglich gab es gleich viele Teilchen wie

Antiteilchen.(Dies ist beim inflationären Modell sogar notwendig wegen der Verdünnung jeden Überschusses)

Wie entstand aber dann die Asymmetrie?1. Prozesse, welche die Baryonenzahl ändern2. Materie muss sich anders verhalten als Antimaterie Bisher nur zwei Beispiele gefunden:

- Zerfall der K-Mesonen (1964)- Zerfall von B-Mesonen (2001)

Ergebnis bisher: Die beobachte Asymmetrie ist zu gering, die Dominanz der Materie zu erklären.


Experimente gehen weiter

Urknall-Situation im Labor


Zusammenfassung

1. Teilchenphysik und Kosmologie weisen hochgradige Symmetrien auf.

2. Jedoch: Symmetriebrechungen in der Frühphase des Universums sorgten für

- Saatgalaxien - Dominanz der Materie.

Ergo:

Ohne Symmetriebrechungen säßen wir nicht hier

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