1 / 36

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.

sloane-nixon
Download Presentation

Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

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)

More Related