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Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik

Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik . Kosmologie : Überblick Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Die Ursuppe Die Entstehung der Masse Michael Kobel TU Dresden Teilchenwelt S chülerworkshop CERN 17.6.2011.

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Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik

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Presentation Transcript

  1. Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik Kosmologie: Überblick Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Die Ursuppe Die Entstehung der Masse Michael KobelTU DresdenTeilchenwelt Schülerworkshop CERN17.6.2011

  2. MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulationhttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/ Strukturbildung im Universum t = 4,7 Mrd. Jahre150 Mio Lichtjahre t = 0,2 Mrd. Jahre20 Mio Lichtjahre “erste Sterne” t = heute300 Mio Lichtjahre t = 1,0 Mrd. Jahre50 Mio Lichtjahre “erste Galaxien”

  3. 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

  4. Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall: • „Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen0,9 : 0,05 : 1 : 2.000.000.000 • Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung • Temperatur T > 6000 K  Ionisation von H-Atomen durch Photonen • 380.000 Jahre nach Urknall: • Atomhüllen bilden sich • Das Universum wird durchsichtig • Strahlung breitet sich ungehindert aus Ursprung der Hintergrundstrahlung u.a,.Materie-AntimaterieVernichtung in Photonen

  5. Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre…(13.700.000.000 Jahre  80 Jahre) Ein Neugeborenes,19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Das Universum ist 80. „Hat“ seit 5 Stunden Homo Sapiens Schulanfang mit 6 Jahren

  6. Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec C: 12 Monate D: 100,000 Jahre B: 8 min D: 100.000 Jahre

  7. Analogie: Die Sonne • Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig • Innen: T > 10.000.000 K • Ionisation der Atome • freie Elektronen • Licht jeder Energiewird absorbiert und wieder emittiert • Erst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberfläche • Oberfläche (Photosphäre) • T = 6000 K • Elektronen anAtome gebunden • Licht kann entweichen • erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

  8. Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung 1999BOOMERanG

  9. 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 Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit) Temperaturschwankungen COBE

  10. Mikrowellen als Babyfoto Cobe 1994 WMAP 2003

  11. Nach Abzug unserer Milchstraße • Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K • “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete • genau wie bei Schall  Klang des Universums

  12. Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

  13. Akustische Analogie II: Musikinstrumente

  14. 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

  15. Vergleich der Akustischen Wellen Luft FrühesUniversum Verhält. Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung+ Gravitation (!) Dichte 3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3(bei 380.000 Jahren) 10-17 Zustandsgleichung pVk= const. p ~ rk p = ⅓c2r Geschwindigkeit v= Ökp/r = 340 m/s v= c/Ö 3 =1,7x108m/s 500.000 Wellenlänge 20 mm – 20 m 20.000 – 400.000 Lj 1020 - 1022 Frequenz 17.000 – 17 Hz 10-12 – 0,4x10-13 Hz 10-14-10-16 www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit05/unit5.html • Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !

  16. Schallwellen vermessen Geometrie • Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung • Länge  Tonhöhe ( Saiten,  Pfeifen) • Form  Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) • Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 ) a e i o u Universum: Kennevund f  bestimmel(Maßstab)

  17. erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt)WW= M / Mflach Geometrie der Raumkrümmung negativ gekrümmt W < 1 flach W = 1 positiv gekrümmt W > 1 allgemeineRelativitäts-theorie

  18. Geometrie = „Form“ des Universums W > 1 W = 1 W < 1 bekannter Maßstab l 13,7 Mrd. Lichtjahre - neg. gekrümmt- flach- pos. gekrümmt W = 1,005 +- 0,006

  19. Das Universum als Spiegelsaal? • Flach:= Parallele bleiben Parallel • trotzdem endliches Volumen möglich! • einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung) 3D Visualisierung als Spiegelsaal

  20. 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 BesteAnpassung an CMB Daten:(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)http://arxiv.org/abs/0708.1420Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre(großeUnsicherheiten!)

  21. 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, …): WDMUngebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten „Oberton“ • „dunkle“ Energie:WV„kosmologische Konstante“ „Vakuumenergie“ unverdünnbar W = WB+ WDM + WV= 1

  22. Ergebnis • 5% atomare Materie(WB =0,05) • 22% nichtatom. Materie(WDM =0,22) • Summe: W=1,00  • 73% „dunkle Energie“(WV=0,73) !

  23. Unabhängige Bestätigungen:Supernovae und Galaxiencluster =WV = WB + WDM

  24. Zwischenbilanz • Nur 27% des Universums ist MaterieWm= WB + WDM= 0,27 • 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materiemöglicherweise 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

  25. Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“? 1930: theoretische Einführung (Pauli) 1956: experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) Neutrinos: “Singles“ des Universums • 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

  26. Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos • Qmechanik:Jedeeinzelne Neutrinosorte („flavor“) ne nµ ntist • Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch.Massen • Summe von Tönen mit leichtverschiedenen Frequenzen • Regelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung) • Schwebungsfrequenz = FrequenzunterschiedDf • Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen Massen • Regelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig vonDm2

  27. Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung Akustik Neutrinos Schallwelle Kreisbewegung der „Phase“ Töne(feste Frequenz) Massezustände( feste Phasenfrequenz) Klang=Überlagerung der Töne Flavorzustand = QM-Mischung der Massenzustände Lautstärke Schallamplitude2 QM-Nachweiswahrscheinlichkeit|Wellenfunktion|2 SchwebungsfrequenzDf der Töne Flavor-Oszillation der NeutrinosDm2 der Massezustände Größenordnung: ~Hz 0,1 – 10 kHz (Beobachter) 0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)

  28. Beispiele von Messungen • Sonnenneutrinos: wenigernewegen Oszillationnenµ,tAtmosphärische Neutrinos: wenigernµwegen Oszillationnµ ntCNGS Strahl: Erscheinen von ntwegen Oszillationnµ nt • Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!)zwischen den stabilen Modenn1 n2 n3 • Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hiernur Differenzen von m2 messbar!) • Beitrag zur Massedes Universums:0.1% < Wn< 3% • erklärt nur kleinenTeil der „dunklen“Materie 1 2 3 • Animation: Ch. Weinheimer

  29. 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

  30. 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 TeilchenensembleALICE: Pb+Pb Quark-Gluon „Plasma“? • Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner TeilchenATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY? Theorien LHC(p+p) LHCPb+Pb gemesseneEinzelprozesse(2008)

  31. 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,…)  idealeFlüssigkeit? ALICE kocht die Ursuppe

  32. Stabilität der Nukleonen:Feine Abstimmung zwischen • Starker Kraft • Elektromagn. Abstoßung der Quarks • Massen(differenzen): md-mu, md-me Die Bedeutung der Teilchenmassen • Größen- und Energieskala der Atome(Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …)Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien • Bindungsenergie steigt mit me • Atomdurchmesser fällt mit 1 / me 35

  33. p nW-e-ne Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen • Die Masse der Atome kommt • nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine • 99% aus Energie der Quarkbindung • Ändern von mu,mdoder mehätte • kaum Effekt auf Kern- und Atommassen • kaum Effekt auf Materiedichte • ABER:riesigenEffekt 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)

  34. Animation: Was wärewenn… Kleinere W-Masse • 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_1R.N. Cahn, „The 18 arbitraryparameters of the standard model in youreverydaylife“(1996) • http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropicprincipleand the massscale of the Standard Model“ (1997) • http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2C. Hogan, „Why the Universeis Just So“ (1999) • http://arxiv.org/abs/0712.2968v1ThDamour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quarkmassesfromnuclearbinding“ (2007) TatsächlicherAblauf Kleinere d-Quarkmasse KleinereElektronmasse View Online: www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wennDownload: www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen/

  35. 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

  36. Literaturempfehlungen(zusätzlich zu den schon genannten) • Dieser Talk auf:http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach) • HaraldLesch / Jörn MüllerKosmologie für HelleKöpfe(GoldmannTaschenbuch, 2006) • Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropieshttp://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html(mitArtikelaus Scientific American: The cosmic symphony, 2004) • Kosmologie und Teilchenphysikgenerellwww.weltderphysik.de Das Weltall, Welt des Allerkleinstenwww.teilchenphysik.de • Physik am LHCwww.weltmaschine.dewww.weltderphysik.de/de/351.php • Teilchenphysik für die Schulewww.teilchenwelt.dewww.physicsmasterclasses.org(nächsteVeranstaltungen: März 2012)

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