Experimentelle Astroteilchenphysik

1. Experimentelle Astroteilchenphysik Prof. Dr. Dieter Horns Dr. Tanja Kneiske

2. Experimentelle Astroteilchenphysik • Einführung und Überblick • Kosmische Strahlung auf der Erde • Kosmische Strahlung in unserer Galaxie • Transport kosmischer Strahlung in unserer Galaxie • Ursprung kosmischer Strahlung • Extragalaktische Beschleuniger • Dunkle Materie, Axionen und andere Exoten

3. Einführung und Überblick Einleitung Standardmodell der Teilchenphysik Standardmodell der Kosmologie

4. Was ist „Astroteilchenphsik“ • Astronomie/Astrophysik: Beobachtung und physikalische Beschreibung astronomischer Objekte • Teilchenphysik: Elementarteilchen, Atome, Kerne (Standardmodell) • Kosmologie: Beschreibung des Univsersums als Ganzes (Standardmodell) • Kosmogonie (Anfang des Universums)

5. Astroteilchenphysik in Deutschland • Gammaastronomie (Photonen > MeV) • Primäre kosmische Strahlung (geladene Komponente) • Neutrino Astrophysik • Neutrinomassen • Dunkle Materie • Gravitationswellen • Kosmologie

6. Standardmodell der Teilchenphysik

7. Standardmodell der Kosmologie Das Kosmologische Prinzip: • Homogen: an jedem Punkt gleich • Isotrop: in jeder Richtung gleich (gilt nur auf großen Skalen ~100Mpc)

8. Größenskalen im Universum • Erde • Sonnensystem • Galaxien • Galaxienhaufen • Galaxiensuperhaufen • Voids • Zelluläre Strukturen

9. Drei Säulen des kosmologischen Modells • Expansion des Universums • Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung • Elementhäufigkeit im Universum (primordiale Nukleosynthese)

10. 1) Hubble Expansion • Edwin Hubble misst „verschobene Spektrallinien“ in Galaxien • Deutung als Dopplereffekt: Galaxien besitzen Geschwindigkeit v • Entdeckung Hubbles: • Alle Galaxien entfernen sich von uns • Geschwindigkeit ist größer, je weiter die Galaxie entfernt ist • v = H0r = c Dl/l • Hubble Gesetz ist eine Illusion: Galaxien bewegen sich nicht, sondern das Universum expandiert !

11. Rotverschiebung : z = (l0-l)/l Abstandsbestimmung : r Hubble Konstante H0 v = H0r = c Dl/l = cz

12. Distanzmessungen • Standardkerzen: Objekte mit großer, bekannter absoluten Helligkeit • Pulsationsveränderliche (Cepheiden) Periode-Leuchtkraft-Beziehung: M = − 1,67 − 2,54 * log(p) r = 10 (m − M + 5) / 5 Entfernungen bis ca. 20Mpc • Supernova Ia (Binärsysteme) Entfernungen bis ca. 100 Mpc

13. Geschichte der Hubble Konstanten • E. Hubble findet H0 = 500 km s-1 Mpc-1 • Alter des Universums: t = H0-1 = 978 x 109 (H0[km Mpc-1s-1])-1 t (500) = 1.96 Gyr • 1930: Alter der Erde festegelegt auf 3 Gyr durch radioaktive Datierung • Aufteilung in 2 Gruppen: 50 und 100 km Mpc-1 s-1 • H0 = 100 h km s-1 Mpc-1 (0.5<h<1.0)

14. WMAP • Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beobachtet „Unregelmäßigkeiten“ der kosmischen Hintergrundstrahlung • 73(3) km s-1 Mpc-1 • Weltalter: 13.4 Gyr Quelle: NASA/WMAP science team

15. 2) Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung • z = 103 (3x106a) Rekombination von Elektronen und Protonen zu Wasserstoff • Strahlungsfeld: T ~ 3x103 K • Heute: T0 = T / (1+z) ~ 3 K • Arno Penzias & Robert Wilson 1965 • A) 2.725 K (53 GHz) • B) ~ 3 mK (10-3 K) Erdbewegung, kosmischer Dipol • C) ~ 20 mK (10-6 K) Milchstrasse • Bleibende Anisotropien A) B) C) Quelle: COBE Project, DMR, NASA APOD 07.10.06

16. 3) Elementhäufigkeit im Universum Primordiale Nukleosynthese: • H, D (90%) • 3He, 4He (8%) • 7Li Stellare Nukleosynthese: • Kernfusion im Sterninneren • 4He, 12C, 16O, Si, Ni und Fe • Höhere Elemente gebildet durch Neutroneneinfang und b-Zerfall Spallation (Spaltungsreaktion) • 6Li, 9Be, 10B und 11B • Beschuss von Atomen im interstellaren Medium durch kosmische Strahlung Beobachtungen: • Direkt: Messungen im Sonnenwind und an Meteoriten • Indirekt: aus beobachteten Spektren H He C, N, O Fe F Sc Be Elementeverteilung im Sonnensystem

17. Dynamik des Weltalls • Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M, Radius R und Volumen V = 4/3pR3 • Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf gesamtes Universum möglich.

18. Kritische Dichte rc • Für k=0; r = rc=3H2/8pG flaches Universum: Expansionsrate geht asymptotisch gegen 0 • Für k>0; r < rc offenes Universum: unendliche Expansion des Universums • Für k<0; r > rc geschlossenes Universum: irgendwann folgt Stillstand und Kontraktion des Universums (Big Crunch)

19. Friedmann-Gleichung und kosmologische Parameter • Materiedichte: W=Wm= r(t) / rc • Raumkrümmung:WR= (H0r0R)-2 • Kosmologische Konstante: WL = L/3H02

20. Die kosmologische Konstante • 1913 führte Einstein die kosmologische Konstante ein, um ein statisches Universum zu generieren • Einstein definierte Vakuumenergiedichte rv: • L=0 Vakuum hat keine Energiedichte • In der Quantenphysik ist Vakuum nicht leer • Durch Heisenberg‘sche Unschärferelation ergeben sich Teilchen-Antiteilchenpaare • Leider ist die Zahl aus beiden Theorien ca. 120 Größenordnungen unterschiedlich

21. Friedmann-Gleichung mit kosmologischer Konstanten • KosmologischeDichte-Parameter: WmWR WL • Es gilt: Wm +WR +WL = 1 • WMAP: WR~0 Wm = 0.27(0.04), Ws = 0.004 WL=0.73(0.04)

22. Evolution in einem Jahr Kosmischer Kalender: 12 Gyr Geschichte des Universum in einem Jahr  1 Monat = 1 Gyr • Januar 1: Der Big Bang • Februar : Die Milchstraße entsteht • August 13: Die Erde entsteht • Dezember 13: Erste Lebensformen • Dezember 25: Aufstieg der Dinosaurier • Dezember 30: Aussterben der Dinosaurier • Dezember 31: 21:00 Erster Mensch • Dezember 31: 23:58 Moderne Mensch entwickelt sich • Dezember 31: 23:59:30 Ackerbau • Dezember 31: 23:59:47 Bau der Pyramiden • Dezember 31: 23:59:59 Kepler und Galileo zeigen, dass die Erde sich um die Sonne dreht

23. Olber´sche Paradoxon • Wenn das Universum seit jeher eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: • Die Gesamthelligkeit eines Sterns ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht) • Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald). • Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.

24. Lösung • Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (107 Jahre) • Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen) • Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)

25. Effekt der Rotverschiebung • X0 = beobachtete Größe • X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t