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luise-wengel
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Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik
1. Kosmologie: Überblick 2. Die Mikrowellen vom Urknall3. Dunkle Materie4. Die Ursuppe5. Die Entstehung der Masse
Michael KobelTU Dresden
Teilchenwelt Schülerworkshop CERN17.6.2011
MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulationhttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/
Strukturbildung im Universum
t = 0,2 Mrd. Jahre20 Mio Lichtjahre
t = 1,0 Mrd. Jahre50 Mio Lichtjahre
t = 4,7 Mrd. Jahre150 Mio Lichtjahre
t = heute300 Mio Lichtjahre
“erste Sterne”
“erste Galaxien”
Postulat:Nachhall der Quanten-fluktuationen des Urknalls,„eingefroren“ durch Inflation(überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives„Aufsammeln“ der Umgebung
Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund
Ursprung der Dichteunterschiede
Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall:
„Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 0,9 : 0,05 : 1 : 2.000.000.000 Strahlung (Photonen) und Materie in WechselwirkungTemperatur T > 6000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen
380.000 Jahre nach Urknall:Atomhüllen bilden sichDas Universum wird durchsichtigStrahlung breitet sich ungehindert aus
u.a,.Materie-AntimaterieVernichtung in
Photonen
Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre…
(13.700.000.000 Jahre 80 Jahre)
Das Universum ist 80. „Hat“ seit 5 Stunden Homo Sapiens
Ein Neugeborenes,19 Stunden alt.
Erste Schritte mit 13 Monaten
Schulanfang mit 6 Jahren
Unsere Sonne
Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche?
A: 2 sec
B: 8 min
C: 12 Monate
D: 100.000 JahreD: 100,000 Jahre
Analogie: Die Sonne
Innen: T > 10.000.000 K
Ionisation der Atomefreie ElektronenLicht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiertErst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberfläche
Oberfläche (Photosphäre)
T = 6000 KElektronen anAtome gebundenLicht kann entweichenerreicht nach 8 min ungehindert die Erde
Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig
Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung
1999 BOOMERanG
Temperaturschwankungen
COBE
Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher
Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 oC)Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K
Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser SchwankungenJohn C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)
WMAP 2003
Cobe 1994
Mikrowellen als Babyfoto
• Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K• “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete • genau wie bei Schall Klang des Universums
Nach Abzug unserer Milchstraße
Akustische Analogie I: Chladni-Figuren
Akustische Analogie II: Musikinstrumente
Die Obertöne des Kosmischen Klangs• Das Ohr hört an Obertönen:
• Art des Instruments• geübtes Ohr: Bauweise
Astrophysiker erkennen an den Obertönen:• „Form“ des Universums • Zusammensetzung
Vergleich der Akustischen Wellen
Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !
p Gas im thwindigkeiSchallgesc
Luft Frühes Universum Verhält.
Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung+ Gravitation (!)
10-17
500.000
1020 - 1022
10-14-10-16
Dichte 3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3
(bei 380.000 Jahren)
Zustandsgleichung
Geschwindigkeit
Wellenlänge
Frequenz
pVk = const. p ~ k p = ⅓c2
v Ökp/ 340 m/s
v c/Ö 3 =1,7x108
m/s20 mm – 20 m 20.000 – 400.000 Lj
17.000 – 17 Hz 10-12 – 0,4x10-13 Hz
fFrequenz
www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit05/unit5.html
Schallwellen vermessen Geometrie
(Tonhöhe))Dichte(1/)(Geometrie
f
Universum: Kenne v und f bestimme (Maßstab)
Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt FrequenzänderungLänge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen)Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung )
Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 )
a e i o u
Geometrie der Raumkrümmung
flach
negativ gekrümmt
positiv gekrümmt
W < 1
W 1
W > 1
erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / Mflach
allgemeineRelativitäts-theorie
bekannter Maßstab
- neg. gekrümmt- flach- pos. gekrümmt
13,7
Mrd
. Lic
htja
hre
Geometrie = „Form“ des Universums
W = 1,005 +- 0,006
W > 1 W 1 W < 1
Das Universum als Spiegelsaal? Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich!
einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung)
3D Visualisierung als Spiegelsaal
Möglicher Nachweis: “circles-in-the sky”
Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle gleiche Muster gegenüber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) )konsistent mit Muster des kosmischem Mikrowellen Hintergrunds (CMB)
Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009 http://www.spektrum.de/artikel/974631
Beste Anpassung an CMB Daten:(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)http://arxiv.org/abs/0708.1420Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre(große Unsicherheiten!)
Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie W
atomare Materie (p,n,e): WBSterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,…-- dämpft den ersten „Oberton“-- verstärkt den zweiten „Oberton“
nichtatomare „dunkle“ Materie (n, …): WDM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten „Oberton“
„dunkle“ Energie: WV
„kosmologische Konstante“ „Vakuumenergie“ unverdünnbar
W = WB + WDM + WV = 1
Ergebnis
5% atomare Materie (WB 0,05)
22% nichtatom. Materie (WDM 0,22)
Summe: W1,00 73% „dunkle Energie“ (WV 0,73) !
Unabhängige Bestätigungen:Supernovae und Galaxiencluster
WV
WB + WDM
Zwischenbilanz• Nur 27% des Universums ist Materie
Wm = WB + WDM 0,27 • 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie
möglicherweise uns völlig unbekannt• 73% ist keine Materie, sondern „dunkle Energie“
und treibt das Universum auseinander
• Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstraße ist Mittelpunkt des Kosmos
• Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine „Randerscheinung“ (~ 5%)
• Die „dunkle Energie“ bestimmt die Zukunft
Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“?
1930: theoretische Einführung (Pauli)
1956: experimentelle Entdeckung
(Cowan und Reines)
schwach wechselwirkend: 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: 366.000.000 Neutrinos / m3
im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3
wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!!
aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt
Neutrinos: “Singles“ des Universums
Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos
Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte („flavor“) ne nµ nt ist Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch. Massen
Summe von Tönen mit leicht verschiedenen FrequenzenRegelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung)Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied Df
Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen MassenRegelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig von Dm2
Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung
Akustik NeutrinosSchallwelleTöne (feste Frequenz)Klang=Überlagerung der TöneLautstärke Schallamplitude2
QM-Nachweiswahrscheinlichkeit |Wellenfunktion|2
Größenordnung: ~Hz
0,1 – 10 kHz (Beobachter) 0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)
Schwebungsfrequenz Df der Töne
Kreisbewegung der „Phase“Massezustände ( feste Phasenfrequenz)Flavorzustand =QM-Mischung der Massenzustände
Flavor-Oszillation der Neutrinos Dm2 der Massezustände
• Beitrag zur Massedes Universums:0.1% < Wn< 3%
• erklärt nur kleinenTeil der „dunklen“Materie
Beispiele von Messungen• Sonnenneutrinos: weniger ne wegen Oszillation ne nµ, t
Atmosphärische Neutrinos: weniger nµ wegen Oszillation nµ nt
CNGS Strahl: Erscheinen von nt wegen Oszillation nµ nt
• Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!)zwischen den stabilen Moden n1 n2 n3
• Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hiernur Differenzen von m2 messbar!)
• Animation: Ch. Weinheimer 1 2 3
Andere Kandidaten für Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen?
Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse
Leichtestes SUSY Teilchen stabil= Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? stabil, massiv (> 50 Protonmassen),
schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei:
ATLAS & CMS am LHC des CERN
Alter Temperatur Energie Größe
10-43 s 1032 K 1019 GeV Nadelspitze
10-36 s 1028 K 1015 GeV Tennisball
10-24 s 1022 K 109 GeV 50 km
10-14 s 1017 K 10000 GeV wie Sonne
10-10 s 1015 K 100 GeV10-6 s 1013 K 1 GeV wie Sonnen
-system1s 1010 K 0.001 GeV 1 Lichtjahr
1 min 109 K 0.0001 GeV 50 Lichtjahre
1 Jahr 106 K 0.0000001 GeV wie Milch-straße
100.000 Jahre 10.000 K 1 eV 1 MillionLichtjahre
heute 3 K 10-4 eV 10 MilliardenLichtjahre
Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie
Sonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!) Die „Ursuppe“: Nachstellen im Teilchenensemble
ALICE: Pb+Pb Quark-Gluon „Plasma“? Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner Teilchen
ATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY?
gemesseneEinzelprozesse(2008)
Theorien
LHC(p+p)
LHCPb+Pb
Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen
Eis schmilzt bei 0 oC @ 270 K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K
Beschleunige und Kollidiere „Hadronen“-Eis, um „Quark-Gluon“-Wasser herzustellen(erreiche > 200.000 fache Sonneninnentemperatur)
ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen(Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität,Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…) ideale Flüssigkeit?
ALICE kocht die Ursuppe
Die Bedeutung der Teilchenmassen
35
Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): md - mu , md - me
Größen- und Energieskala der Atome(Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …)
Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien
Bindungsenergie steigt mit me Atomdurchmesser fällt mit 1 / me
Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung
Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Kern- und Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte ABER:riesigen Effekt auf Mat.eigenschaften
Erniedrige me auf 0.025 MeV/c2
Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan? Erniedrige md – me um 1 MeV/c2
ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs:
keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2
Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, g, n)
Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen
p n W- e- ne
Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen.
http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996)
http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997)
http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999)
http://arxiv.org/abs/0712.2968v1Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)
Animation: Was wäre wenn…
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse
Kleinere W-Masse
View Online: www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn Download: www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen/
Zusammenfassung• Die „Kosmische Symphonie“ der Mikrowellenhintergrund Obertöne ergeben
Form und Zusammensetzung des Universums
• Das Universum ist im Mittel flach
• Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet ca. 5% der Gesamtenergie des Universums
• Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der 22% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall
• Es gibt Ideen, was der Rest ist ( LHC Experimente 2010-…?)
• Der Ursprung der Masse wird sicher am LHC geklärt werden (Higgs?)
• 73% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft
• Kosmologie und Teilchenphysik,Quantenphysik und Akustiksind eng verknüpft
Literaturempfehlungen(zusätzlich zu den schon genannten)
• Dieser Talk auf:http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach)
• Harald Lesch / Jörn MüllerKosmologie für Helle Köpfe(Goldmann Taschenbuch, 2006)
• Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropieshttp://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html(mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004)
• Kosmologie und Teilchenphysik generell www.weltderphysik.de Das Weltall, Welt des Allerkleinstenwww.teilchenphysik.de
• Physik am LHCwww.weltmaschine.de www.weltderphysik.de/de/351.php
• Teilchenphysik für die Schulewww.teilchenwelt.dewww.physicsmasterclasses.org (nächste Veranstaltungen: März 2012)