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Experimentelle
Astroteilchenphysik
Prof. Dr. Dieter Horns
Dr. Tanja Kneiske
Experimentelle
Astroteilchenphysik
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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
Einführung und Überblick
Einleitung
 Standardmodell der Teilchenphysik
 Standardmodell der Kosmologie

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)
Astroteilchenphysik in
Deutschland

Gammaastronomie (Photonen > MeV)

Primäre kosmische Strahlung
(geladene Komponente)

Neutrino Astrophysik

Neutrinomassen

Dunkle Materie

Gravitationswellen

Kosmologie
Standardmodell der
Teilchenphysik
Standardmodell der
Kosmologie
Das Kosmologische Prinzip:
- Homogen: an jedem Punkt gleich
- Isotrop: in jeder Richtung gleich
(gilt nur auf großen Skalen ~100Mpc)
Größenskalen im Universum







Erde
Sonnensystem
Galaxien
Galaxienhaufen
Galaxiensuperhaufen
Voids
Zelluläre Strukturen
Drei Säulen des
kosmologischen Modells
1.
2.
3.
Expansion des Universums
Kosmische
Mikrowellenhintergrundstrahlung
Elementhäufigkeit im Universum
(primordiale Nukleosynthese)
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 !
Hubble Konstante H0
v = H0r = c Dl/l = cz


Rotverschiebung : z = (l0-l)/l
Abstandsbestimmung : r
Distanzmessungen

Standardkerzen: Objekte mit
großer, bekannter absoluten
Helligkeit
1.
Pulsationsveränderliche
(Cepheiden)
Periode-Leuchtkraft-Beziehung:
M = − 1,67 − 2,54 * log(p)
r = 10 (m − M + 5) / 5
Entfernungen bis ca. 20Mpc
2.
Supernova Ia (Binärsysteme)
Entfernungen bis ca. 100 Mpc
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)

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
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
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
Dynamik des Weltalls

Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m
bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M,
Radius R und Volumen V = 4/3pR3
1
4p

2
2
Eges  mR  H Gm 
2
3



Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf
gesamtes Universum möglich.
Kritische Dichte c
2 Eges
R 2  8p
2
k
 2  G - H 
2
mc
c  3




Für k=0;  = c=3H2/8pG flaches Universum:
Expansionsrate geht asymptotisch gegen 0
Für k>0;  < c offenes Universum: unendliche
Expansion des Universums
Für k<0;  > c geschlossenes Universum:
irgendwann folgt Stillstand und Kontraktion des
Universums (Big Crunch)
Friedmann-Gleichung und
kosmologische Parameter
2
 R  kc2 8p
   2 
G
R
3
R



Materiedichte: W = Wm = (t) / c
Raumkrümmung: WR = (H0r0R)-2
Kosmologische Konstante: WL = L/3H02
Die kosmologische Konstante






1913 führte Einstein die kosmologische Konstante
ein, um ein statisches Universum zu generieren
Einstein definierte Vakuumenergiedichte v:
8pG
L  2 v
c
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
Friedmann-Gleichung mit
kosmologischer Konstanten
2
 R  kc2 8p
   2 
G(   v )
R
3
R
Kosmologische Dichte-Parameter:
W m WR WL
 Es gilt: Wm + WR +WL  1
 WMAP:
WR~0
Wm = 0.27(0.04), Ws = 0.004
WL=0.73(0.04)

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
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.
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)
Effekt der Rotverschiebung


X0 = beobachtete
Größe
X=X(t) Größe zur
kosmologischen Zeit t
l0 - l
z

l
l
l0  l (1  z )
Dl
E0  E (1  z )
-1
r0  r (1  z )
V0  V (1  z )
3