pdf-file - Max Planck Institut für Radioastronomie

Frontiers of Extragalactic Astrophysics
Silke Britzen
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
WS 08/09: Programm
E-mail: [email protected]
Internet: http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/sbritzen/
Tel.:
0228 525 280
Vorlesungs-Information: Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis, Universität Heidelberg
http://www.kip.uni-heidelberg.de/veranstaltungen/#up
•
10.10.08: Überblick über die Themen des Semesters
•
24.10.08: Kurze Einführung in die String-Theorie
•
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07.11.08: Urknall & Inflation
21.11.08: Universum & Multiversen
05.12.08: …
19.12.08: Wurmlöcher und Schwarze Löcher
Weihnachtsferien
•
•
09.01.09: Zeitreisen & Zeitmaschinen
23.01.09: GLAST
2
Kurze Einführung in die String-Theorie
• Programm heute:
– Aktuelles
– String-Theorie
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Historisch gesehen
Die Große Vereinheitlichung
Das Teilchenmodell – Standard & Super
Die „Basics“ der String-Theorie
Die Dimensionen
Schönheitsfehler der Stringtheorie
Supergravitation
Branen
Kosmologische Voraussagen
Experimentelle Überprüfung der Stringtheorie
– Die Experimente am LHC
– Mini Schwarze Löcher
• Zusammenfassung
3
AKTUELLES
Galaxien unerwartet einheitlich
•
Statistische Analyse von 200 Galaxien
•
Erwartet wurde, daß hierarchisches Modell der
Galaxienbildung zu unterschiedlichen
Sternsystemen führen sollte – mindestens 4
Parameter zur Beschreibung notwendig: Masse,
Rotationsrate, Massenkonzentration, Zeitpunkt
der Entstehung des Sternsystems
•
Stattdessen: Entwicklung scheint nur von einem
(noch unbekannten Parameter) abzuhängen
•
Hierarchisches Modell kann diese Korrelationen
nicht erklären
5
Kollisionen Supermassiver SL im jungen Universum
Vor 12 Milliarden Jahren (z=3.8),
Sternsysteme eigentlich noch im
Entstehen begriffen
4C60.07 mit Submillimeter Array auf
Hawaii beobachtet, Radiostrahlung
Und Infrarotstrahlung – alte statt neuer
Sterne
Materiestrom
6
7
8
9
Kosmische Linse gibt Auskunft über Frühphasen
Aufschlüsse über Frühphasen im Universum über Kosmische Linse
Junge Galaxie kollidiert mit anderer, füttert dadurch ein supermassives Loch und triggert
enormen Sternentstehungsprozess (700 pro Jahr – unsere Milchstrasse 3-4 pro Jahr)
Alter des Universums in dieser Entfernung:15% des jetzigen Alters
Schwarzes Loch befindet sich am Rande statt im Zentrum, was auf einen
Verschmelzungsprozess hindeutet
10
Haare im Universum
•
Große Galaxien „klumpen“ vermutlich auf Strukturen die großen Blasen vergleichbar sind,
wo zwei Blasen sich treffen, könnten sich Filamente von Dunkler Materie finden
•
14 Galaxien bilden sich entlang einer Linie: Bridge to Nowhere, 13 Galaxien erzeugen
simultan neue Sterne
•
Galaxien bilden sich vielleicht auf und entlang des Filaments; Dunkle Materie zieht normale
Materie an, die dann neue Sterne bildet
11
Kurze Einführung in die
String-Theorie
Reviews
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
SUPERSTRING THEORY. VOL.1 and 2
By Michael B. Green (Queen Mary, U. of London), J.H. Schwarz (Caltech), Edward Witten (Princeton U.),
Cambridge, Uk: Univ. Pr. ( 1987).
STRING THEORY. VOL. 1 and 2
By J. Polchinski (Santa Barbara, KITP),. Cambridge, UK: Univ. Pr. (1998).
WHAT IS STRING THEORY? By Joseph Polchinski (Santa Barbara, KITP),. e-Print Archive: hep-th/9411028.
TARGET SPACE DUALITY IN STRING THEORY.
By Amit Giveon (Hebrew U.), Massimo Porrati (New York U.), Eliezer Rabinovici (Hebrew U.),.Published in Phys.Rept.244:77202,1994.
STRING DUALITY: A COLLOQUIUM.
By Joseph Polchinski (Santa Barbara, KITP), Published in Rev.Mod.Phys.68:1245-1258,1996.
THE ORIGIN OF BLACK HOLE ENTROPY IN STRING THEORY.
By Gary T. Horowitz (UC, Santa Barbara),. e-Print Archive: gr-qc/9604051.
LECTURES ON STRINGS AND DUALITIES., By Cumrun Vafa (Harvard U.), e-Print Archive: hep-th/9702201.
AN INTRODUCTION TO NONPERTURBATIVE STRING THEORY, By Ashoke Sen (Harish-Chandra Res. Inst.),. ePrint Archive:hep-th/9802051.
LARGE N FIELD THEORIES, STRING THEORY AND GRAVITY.
By Ofer Aharony (Rutgers U., Piscataway), Steven S. Gubser (Harvard U.), Juan M. Maldacena (Harvard U. & Princeton, Inst.
Advanced Study), Hirosi Ooguri (UC, Berkeley & LBL, Berkeley), Yaron Oz (CERN),.
Published in Phys.Rept.323:183-386,2000.
QUEST FOR UNIFICATION.
By Edward Witten (Princeton, Inst. Advanced Study),. e-Print Archive: hep-ph/0207124.
13
Historisch gesehen …
Relativitätstheorie…
Spezielle Relativität & Allgemeine
Relativität; bestes theoretisches
Konstrukt für die Gravitation: ART
Aber: keine Quantennatur, keine
Unschärfe, keine
Wahrscheinlichkeitsinterpretation,
keine Wellenfunktion
Unschärferelation, Wahrscheinlichkeitsphysik,
Nicht kompatibel mit allgemeiner Relativitätstheorie
Vereinheitlichungstheorien: schwache, starke und elektromagnetische Kräfte,
Gravitation gehört nicht dazu
Supergravitation: Unschärferelation mit allgemeiner Relativitätstheorie vereinbart
15
Konflikt: ART / Quantenmechanik
•
ART hervorragend geeignet für große und massereiche Objekte (Planeten)
•
Quantenmechanik hervorragend zur Beschreibung sehr kleiner Objekte geeignet
(Elementarteilchen)
•
Problem: unter extremen Bedingungen – im Zentrum Schwarzer Löcher, während
des Urknalls – beide Theorien müssen gleichzeitig verwendet werden – ergibt
unsinnige Ergebnisse
•
Grund für Konflikt: ART beruht auf glatter Raumzeit, Quantenmechanik sagt
aufgrund von Unschärferelation bei Größenskalen unterhalb der Plancklänge (1035m)Quantenfluktuationen vorher (Raumzeit dann stark gekrümmt und verzerrt:
Quantenschaum)
•
Suche nach einer einzigen Theorie, die das gesamte Universum und die Prozesse
darin beschreibt!
16
Die große Vereinheitlichung
Elektromagnetische
Kraft
Elektroschwache
Kraft
schwache Kraft
Große
starke Kraft
Schwerkraft
Vereinigung
?
Das Teilchenmodell
Standard & Super
20
Standardmodell der Teilchenphysik
21
Ungeklärte Fragen
•
„Theory of Everything“ TOE sollte beantworten:
–
–
–
–
–
–
Warum gibt es genau 4 Grundkräfte, wieso haben sie sich aufgespalten?
Warum genau 3 Teilchenfamilien?
Warum haben die Elementarteilchen die Eigenschaften, die wir beobachten?
Warum gibt es eine solche Fülle von Elementarteilchen im Universum?
Was ist die Dunkle Materie bzw. die Dunkle Energie?
Warum kam es im frühen Universum yu Dichtefluktuationen, die zur
Entstehung von Sternen und Galaxien führten?
– Was ist die Substruktur von Quarks und Leptonen?
– Weshalb gibt es genau 3 Raumdimensionen und eine Zeitdimension?
– Wie entstanden Raum & Zeit?
22
Geschichte der String-Theorie
•
Enthält wesentliche Erkenntnisse der Kaluza-Klein-Theorie
(1920er): Erweiterung der ART um Elektrodynamik und Gravitation
•
«Ich habe grossen Respekt vor der Schönheit und
Kühnheit Ihres Gedankens», schrieb Albert Einstein
1919 begeistert dem Königsberger Privatdozenten
Theodor Kaluza.
•
•
•
Historische Urform: bosonische Stringtheorie (60iger,70iger): 26
Dimensionen, 25 Raum- und eine Zeitdimension, beschreibt nur
Bosonen, Fermionen nicht enthalten, bringt Teilchen mit imaginärer
Masse hervor (Tachyonen, nie beobachtet)
70iger Jahre: Vermutung, daß die Stringtheorien alle vier
Wechchselwirkungen in der Natur vereinigen könnten:
Stringtheorie kann Spin-2-Anregungen (Tensorbosonen) erzeugen,
die mit dem (hypothetischen) Graviton in Verbindung gebracht
werden; Green und Schwarz beseitigen die Anomalien der
Stringtheorie, geling 1984; Zahl der Stringforscher wächst
innerhalb kurzer Zeit von einer Hand voll auf mehrer Hundert!! (die
erste Superstringrevolution!)
80iger: nicht nur Strings als Fäden, sondern auch
höherdimensionale Objekte sind möglich (Paul Townsend: PBranen mit einer Dimension p, Membran: flächenhaft,
schwingendes Objekt; 0-Bran: Punktteilchen, 1-Bran: String; 2Bran: Membran)
Kaluza
Klein
23
Theodor Kaluza
•
•
•
09.11.1885 Oppeln, Oberschlesien – 19.01.1954 Göttingen
Deutscher Physiker und Mathematiker
Entwickelte mit Oskar Klein die Kaluza-Klein-Theorie
•
20 Jahre Privatdozent, 1929 Berufung auf Lehrstuhl nach Kiel, 1935 Ruf
nach Göttingen
Bekannt für originellen Lösungsansatz für eine vereinheitlichte
Feldtheorie, die die Gravitation und die Maxwellsche Elektrodynamik
vereinen sollte, führte 5. Dimension ein, welche die Integration der
Maxwellschen Gleichungen ermöglichte (behauptete, elektromagnetische
Wellen seien Störungen, die durch die Krümmung der fünften Dimension
hervorgerufen würden); Quantenmechanik ließ seine Arbeit in den
Hintergrund treten
•
•
Einstein:“Ob sich Kaluzas Idee bewähren wird, kann man noch nicht
sagen, Genialität wird man ihr zuerkennen müssen
•
17 Sprachen gesprochen oder geschrieben (darunter Arabisch, Hebräisch,
Litauisch, Ungarisch, etc.)
Ungemein bescheidene Persönlichkeit
Ablehnung der nationalsozialistischen Ideologie – Berufung nach
Göttingen daher erschwert
Als über 30jähriger Nichtschwimmer hat er sich das Schwimmen durch die
Lektüre eines Buches beigebracht – Erfolg beim ersten Versuch im
Wasser
•
•
•
24
Geschichte der String-Theorie
•
•
•
1997: Juan M. Maldacena findet die AdS/CFT-Korrespondenz;
neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Gravitation und
Teilchenphysik
Bis Mitte der 90iger: eine 26D bosonische Stringtheorie und 5
verschiedene, zehndimensionale Stringtheorien
Wichtige Untersuchungen am Relativistic Heavy Ion Collider
(RHIC) in den USA und am LHC am CERN
Maldacena
A. Müller
25
Erfinder der String-Theorie?
Literatur:
The elegant universe
by Brian Greene
Superstring theory
by Michael Green, J
ohn Schwarz and Edward Witten
String theory
by Joe Polchinski
D-branes
by Clifford Johnson
John Schwarz
Michael Green
26
Die „Basics“ der String-Theorie
String-Theorie
•
Bei allen Teilchen handelt es sich um
Vibrationen auf einem unendlich
langen, dünnen String
•
Strings können offen oder
geschlossen sein
•
Strings bewegen sich durch die Zeit
und bilden ein world-sheet
28
String-Theorie
•
Die Größe, ab der Effekte der Quantengravitation wichtig werden:
•
Auf viel größeren Längenskalen (Labor) sind sie nicht von nulldimensionalen punktförmigen Partikeln zu
unterscheiden; aber die Vibrationszustände und die Struktur lassen sie als verschiedene
Elementarteilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik erscheinen (Photon, Quark, …)
•
Aber: noch keine bekannte Lösung dieser Theorie reproduziert genau die Vielzahl von Teilchen, die das
Standardmodell kennt
Strings können offen, oder geschlossen sein; mit offenen wie geschlossenen Strings sind immer
charakteristische Schwingungsarten (Moden) verbunden. Eine bestimmte Vibration eines
geschlossenen Strings kann als Graviton identifiziert werden
Strings können eine „Orientierung“ besitzen
•
•
29
String-Theorie
•
Superstringtheorie (kurz: Stringtheorie) eine Sammlung eng verwandter
hypothetischer physikalischer Modelle, die alle bisher beobachteten
Fundamentalkräfte der Physik einheitlich erklären
•
Gilt als Ansatz der gesuchten Vereinheitlichung der Gravitation mit der
Quantenfeldtheorie der nichtgravitativen Wechselwirkungen
•
Strings (engl. für Saite) werden als vibrierende Objekte mit eindimensionaler
räumlicher Ausdehnung angenommen – Gegensatz zum Modell der
Elementarteilchen, die als nulldimensional angenommen wird
•
Ein Elementarteilchen kann man sich als Schwingungsanregung der Strings
vorstellen, wobei die Frequenz nach der Quantenmechanik einer Energie
entspricht
•
Weiterentwicklung der Stringtheorie: Brane-Theorie, hat als Basisobjekte
höherdimensionale Objekte
30
Strings und Eigenschaften
•
•
•
Nach der Stringtheorie entspricht jedes Teilchen (auch Eichbosonen) einem
bestimmten Schwingungsmodus eines Strings: Gitarrensaite, jeder erzeugte
Ton entspricht einer bestimmten Frequenz, mit der die Saite schwingt.
Die verschiedenen Schwingungsmuster eines Strings erzeugen verschiedene
Eigenschaften von Teilchen: Masse, Ladung, Spin, usw.; je größer die
Amplitude und je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Energie
(Quantenmechanisch: E=h · ν); aus der Relativitätstheorie: Masse und Energie
entsprechen sich: E=m· c2
die Energie des Schwingungsmusters legt die
Masse des Strings fest
Ein String kann auf 2 Arten schwingen:
– Gewöhnliche Schwingung
– Schwerpunktschwingung (ändern seine Position aber nicht seine Form)
31
Strings und Eigenschaften
•
•
Strings können unendlich viele Schwingungen ausführen und theoretisch
eine unendliche Zahl verschiedener Teilchen entstehen lassen
Relativistische und nichtrelativistische Strings, nach
Wellengeschwindigkeit
32
Voraussagen der Stringtheorie
•
Viele Lösungen von Problemen sind einfach eine logische Konsequenz der
Stringtheorie:
– Die Fülle der Teilchen
– Eines des Stringschwingungsmuster entspricht genau den Eigenschaften des
Gravitons – Gravitation wird in den quantenmechanischen Rahmen der
Stringtheorie mit einbezogen
– Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätsheorie ergeben sich völlig von
selbst, d.h. ohne eine einzige der Gleichungen vorauszusetzen, aus der
Stringtheorie
– Wie eine Gitarrensaite hat auch ein String eine Spannung – die Masse eines
Strings hängt neben der Art seiner Schwingung auch von seiner Spannung ab
– die Spannung des Gravitons hängt von der Planckspannung ab: ein typischer
String hat die Größe der Plancklänge; entscheidend für die Vereinheitlichung
von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik
33
Masse der Strings zu groß!!
•
Wie kann die Stringtheorie die Eigenschaften der bekannten Teilchen erklären,
wenn die typische Masse eines Strings um den Faktor 1023 größer als die Masse
des Elektrons, oder um den Faktor 1019 größer als die des Protons ist??
•
Lösung I: Schwere Teilchen sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit in viele,
leichtere Teilchen mit geringen Massen – daher nur sehr wenige im frühen
Universum entstandene massereiche Strings übrig
•
Lösung II: Unschärferelation, alles im Universum ist Quantenbewegungen
unterworfen, die Energien der Quantenschwingungen sind im Bezug auf die
Schwingungsenergien eines Strings negativ – Energie wird somit um den Betrag
der Planckenergie reduziert; im Fall des Gravitons heben sich die Energien
vollkommen auf, so daß das Teilchen keine Masse besitzt
•
Energiearme Schwingungsmuster stellen Besonderheit dar!
•
Typische Strings viele Millionen mal energie- und massereicher – extrem hohe
Energien zu ihrer Entdeckung notwendig – bis heute nicht entdeckt
34
Wechselwirkende Strings
•
Strings wechselwirken miteinander indem sie sich zu einem einzigen String
vereinigen oder sich in weitere aufteilen
•
Beispiel: in der Quantenmechanik kann sich ein Elektron-Positron-Paar gegenseitig
vernichten und ein virtuelles Photon erzeugen, welches eine kurze Stecke
zurücklegt und anschließend seine Energie wieder freisetzt, indem es ein neues
Elektron-Positron-Paar erzeugt, jedoch mit veränderten Richtungen ---- in der
Stringtheorie: beide Strings schließen sich zu einem dritten String zusammen,
welcher dem Photon entspricht, legt einen kurzen Weg zurück und teilt sich
anschließend wieder in zwei Strings auf
35
Strings als Weltröhren
•
Ein String nimmt zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Position im Raum ein
– seine Geschichte läßt sich als Fläche in der Raumzeit – als Weltfläche –
in Form einer Röhre, bzw. Weltvolumen darstellen – auch die
Wechselwirkung von Strings kann als Weltvolumen dargestellt werden
•
Stringtheorie schafft die Verbindung von allgemeiner Relativitätstheorie
und Quantenmechanik als Quantenfeldtheorie de Gravitation und ist heißer
Kandidat für eine TOE
36
Superstrings
Strings + Supersymmetry = Superstrings
Vereinheitlichung aller 3 im Standardmodell vorkommenden
Wechselwirkungen -> GUT
Die Modelle beinhalten häufig Supersymmetrie (Symmetrie zwischen
Bosonen (Photon, Gluon, Higgs-Boson, Spin 0 oder 1) und Fermionen
(Leptonen & Quarks) : postulierte Partnerteilchen
Anderer Ansatz zur Erweiterung des Standardmodells: Quantengravitation
37
Supersymmetrie
•
Besagt, daß Fermionen und Bosonen immer paarweise auftreten, so daß jedes
Teilchen einen Superpartner besitzt, der sich um den Spin ½ unterscheidet
•
ABER: keines der bekannten Teilchen kommt als Superpartner für ein anderes in
Frage, jedes Teilchen muß demnach einen noch unbekannten Superpartner
besitzen, statt die bekannten Teilchen zu erklären, verlangt die Superstringtheorie
eine ganze Reiche neuer Teilchen – unvorteilhaft für die Physik???
Gründe für die Supersymmetrie:
•
– Beseitigt schwerwiegende Probleme der bosonischen Stringtheorie – Materieteilchen
können integriert werden und Tachyon kommt nicht mehr vor
– Benötigt nur noch 9 Raumdimensionen (statt 25)
– Vereinheitlichung der nichtgravitativen Kräfte – große Vereinigung: 1974 entdeckt, die
Stärken der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Kernkraft nähern sich
bei extrem kleinen Abständen einander an – Grund: Quantenfluktuationen; bei extrem
kleinen Abständen (ca. 10-31m) werden die nichtgravitativen Kräfte fast, aber nicht ganz
gleich; bezieht man die Supersymmetrie mit ein, so bewirken die Beiträge der
Superpartner, daß die Kräfte sich exakt in einem Punkt treffen und somit auf eine Urkraft
zurückzuführen sind
•
Nachweis der Superpartner steht allerdings noch aus (sehr schwere Partner und
hohe Energien notwendig)
38
Vereinheitlichung
39
Die Dimensionen
Die Raumzeit in der Stringtheorie
•
•
Stringtheorie funktioniert nur in neun Raumdimensionen und einer Zeitdimension
KRASSER WIDERSPRUCH ZU UNSEREN ALLTAGSERFAHRUNGEN
•
•
Wo sind die anderen Dimensionen?
Die 5.: 1926 behauptete der schwedische Physiker Oskar Klein, die zusätzliche
Dimension sei winzig klein und zu einem Kreis mit dem Radius der Plancklänge
aufgewickelt: Universum ist wie die Oberfläche eines Fadens, 3 beobachtbare
räumliche Dimensionen sind lang und ausgedehnt, die 4. klein und kompaktifiziert
und mit unseren Messgeräten noch nicht nachweisbar – Theorie geriet durch den
Erfolg der Quantentheorie für 60 Jahre in Vergessenheit (Analogie: Käfer auf
Faden)
41
Dimensionen
42
Dimensionen der Stringtheorie
•
In Kaluza-Klein-Theorie: 5. Dimension ist zu einem Kreis mit dem Radius der Plancklänge
aufgewickelt
•
Unendlich viele Dimensionen lassen sich nach diesem Schema kompaktifizieren: z.Bsp. In
Form einer Kugel oder eines Torus; nach diesem Prinzip sind die 6 zusätzlichen Dimensionen
der Stringtheorie aufgewickelt – Anzahl der Dimensionen ergibt sich automatisch aus ihren
Gleichungen, bestimmen auch die Form in der die Zusatzdimensionen aufgewickelt sind:
Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten oder Calabi-Yau-Räume nach ihren Entdeckern: Eugenio
Calabi, Shing-Tung Yau
•
An jedem Punkt der Raumzeit befinden sich die 6 zusätzlichen Dimensionen aufgewickelt in
Form von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten
•
Mehrere 10000 verschiedene Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten – niemand weiß, welche die
richtige ist, noch nicht einmal deren exakte Größe; Problem: die Form der Calabi-YauMannigfaltigkeit bestimmt in höchstem Maße die Teilcheneigenschaften – macht die
Entdeckung des richtigen Calabi-Yau-Raums zu einer Notwendigkeit
–
Reduktion der in Frage kommenden Räume durch: Suche nach Grund der Teilchenfamilien, CalabiYau-Raum kann Löcher enthalten, die ihrerseits eine Vielzahl verschiedener Dimensionen besitzen
können – jede Teilchenfamilie ist mit einem mehrdimensionalen Loch assoziiert – der gesuchte Raum
muß drei Löcher besitzen – die Zahl der Teilchenfamilien in unserem Universum folgt aus der Form
der aufgewickelten Extradimensionen
43
Windungen der Strings
•
•
•
Strings können sich auf 2 unterschiedliche Arten durch aufgewickelte Dimensionen
bewegen: gewundene (um die kompaktifizierten Dimensionen gewickelt) und
nichtgewundene Strings
Windungszahl bezeichnet die Anzahl seiner Windungen um die kompaktifizierte
Dimension, wobei das Vorzeichen die Richtung festlegt
Energie eines Strings wird von 2 Faktoren bestimmt: seiner Windungsenergie und
der Art seiner Schwingung (Kombination aus gewöhnlicher Schwingung und
Schwerpunktschwingung):
– Großer Radius: große Windungs- und kleine Schwingungsenergie
– Gesamtenergie bleibt gleich, wenn man die Windungszahl und die Schwingungszahl
tauscht: In einem Universum mit dem Radius R sind Massen und Ladungen der Teilchen
identisch mit denen in einem Universum mit dem Radius 1/R: geometrisch ungleiche
Universen sind physikalisch nicht zu unterscheiden (Wechseln der Entfernungsmessung)
44
Risse in der Raumzeit
•
•
•
ART: glatte Raumzeit – keine Löcher und Risse im
Universum
Stringtheorie:Edward Witten 1993: Risse in der Raumzeit
können vorkommen (eine Sphäre schrumpft und schnürt
ein, bis der Raum reißt)
Im Universum können jederzeit Risse auftreten –
Wurmlöcher und Zeitreisen sind physikalisch und
mathematisch möglich
45
Schönheitsfehler der Stringtheorie
Schönheitsfehler
•
In den letzten Jahren haben sich 5 verschiedene Superstringtheorien entwickelt:
– Typ I – enthält neben geschlossenen auch offene Strings, Fehler: unterscheidet nicht
zwischen „rechtshändigen“ und „linkshändigen“ Fermionen
– Typ IIA – nicht chiral
– Typ IIB – chiral, aber keine Eichbosonen
– Heterotisch mit Eichgruppe E8 x E8 (kurz: E-heterotisch) – beschreibt das Universum am
besten
– Heterotisch mit Eichgruppe SO(32) (kurz: O-heterotisch)
•
•
•
•
Gleichungen sind so kompliziert, daß niemand in der Lage ist, deren genaue Form
zu bestimmen
Näherungsgleichungen (Störungsrechnung) notwendig
Unendlich viele String-Antistring-Paare
Kopplungskonstante: ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein String
vorübergehend in ein virtuelles Stringpaar aufteilt; Größe nicht genau bekannt
47
Supergravitation
Supergravitation
•
Erhöhen der Kopplungskonstante:
•
Supergravitation: allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik im Rahmen
einer auf Punktteilchen basierenden Quantenfeldtheorie vereinigt
Witten konnte zeigen, daß durch Einführung einer elften Dimension in die
Stringtheorie, die elfdimensionale Supergravitation in einen string-theoretischen
Rahmen einzugliedern ist: durch Erhöhung der Kopplungskonstante des Strings
vom Typ IIA oder des E-heterotischen Strings erscheint eine weitere
Raumdimension, die zuvor niemand entdeckt hatte -> der E-heterotische String
vom Typ IIA wächst zu einer geschlossenen Membran (Torus)
Alle Stringtheorien lassen sich miteinander verknüfen, es ergibt sich ein
einheitliches Gebilde – die elfdimensionale M-Theorie
Bedeutung von „M“ ungeklärt: Membrane, Mystery, Mother, Millennium, Multiverse,
Matrix oder ein umgedrehtes W für Witten
•
•
•
•
M-Theorie gibt bis heute Rätsel auf aber:
– Gravitation läßt sich jetzt mit den anderen 3 Kräften vereinen – schafft die
Vereinheitlichung
– Aber: die fundamentalen Bausteine des Universums sind nicht ausschließlich
eindimensionale Strings sondern mehrdimensionale Branen
49
M-Theorie
50
Branen
Branen
•
•
•
Eine Bran kann bis zu neun Dimensionen besitzen, p räumliche
Dimensionen, p-Bran
Ein Punkt: eine 0-Bran; ein String: eine 1-Bran; ein Objekt mit 3
Raumdimensionen:3- Bran
Strings zwischen
52
Brane-world Scenarios
•
•
Open string massless excitations
include gauge fields.
Closed string massless excitations
include the graviton.
53
Branen
•
•
•
Gefaltete Raumzeit
•
Licht kann sich nur auf der Brane ausbreiten und
muß sich – um vom roten zum blauen Punkt zu
gelangen – entlang der orangefarbenen Linie
ausbreiten
Der Gravitation steht hingegen zur Ausbreitung der
ganze, die Brane umgebende „bulk“ zur Verfügung
Deshalb läßt sich am blauen Punkt die Auswirkung
der Gravitation des roten Punktes feststellen, noch
lange bevor Licht vom roten Punkt beim blauen
Punkt angelangt ist
Führt man einer D-Bran extrem hohe Energie zu,
kann sie astronomische Ausmaße erreichen –
Energien während und kurz nach dem Urknall –
Branen in der Größe des Universums könnten
entstanden sein
54
From D-branes to Black Holes
„
For certain black holes, D-brane states are
the internal constituents.
→
gS → 0
55
Voraussagen für unser Universum
ADD-Szenario
•
ADD-Szenario, benannt nach Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali: unser Universum ist eine
riesige Drei-Bran, eingebettet in eine elfdimensionale Raumzeit: neben unserem Universum
könnten noch weitere Universen in Form von Drei-Branen existieren, die alle parallel in einer
weiteren Dimension zu einem so genannten „bulk“ angeordnet sind. Sie könnten nur
Bruchteile eines Millimeters in einer vierten Raumdimension von einander entfernt sein,
während die sechs restlichen Dimensionen zu Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten aufgewickelt
sind – ganze Zivilisatioen könnten in unmittelbarer Nähe von uns existieren, ohne daß wir es
je bemerken würden; Dunkle Materie erklären: Gravitonen sind nicht an die Branen gebunden
und können sich frei in der elfdimensionalen Raumzeit bewegen- dadurch können die
einzelnen Drei-Branen miteinander wechselwirken – DIE MATERIE DER ANDEREN
UNIVERSEN ERSCHEINT UNS ALS DUNKLE MATERIE
•
In einem anderen Modell ist die DUNKLE MATERIE DIE FOLGE DER KRÜMMUNG DER
DREI-BRAN,DIE UNSER UNIVERSUM DARSTELLT
•
Da die Gravitation durch die „Lagen“ hindurch wirkt, während Teilchen wie z.B. Photonen, die
sich nur in der Bran bewegen können, Milliarden von Lichtjahren zurücklegen, scheint es, als
gäbe es eine Form von Materie, die wir nicht sehen, deren Gravitation wir aber messen
können, weil uns das Licht dieser Materie noch nicht erreicht hat
•
Ekpyrotisches und zyklisches Universum (spätere Vorlesung)
57
Multiversen
Da hilft kein Schirm:
Bei unendlich vielen
Universen sind sogar
„Plätschernde
Elefanten“ im Bereich
des Möglichen
58
Experimentelle Überprüfung der
String-Theorie
Experimente am LHC
Experimentelle Überprüfung
•
•
•
Extrem schwierig
Teilchenbeschleuniger von der Größe der Milchstraße notwendig
Indirekt beweisen:
– Exakte Form des Calabi-Yau-Raums bestimmen – dann könnten daraus die
genauen Eigenschaften der bekannten Teilchen berechnet werden
– Entdeckung eines oder mehrerer Superpartnerteilchen
– Entdeckung eines Teilchens mit bestimmter nichtganzzahliger Ladung -1/8
oder 5/37
– Nichtkonstanz der Naturkonstanten (Lichtgeschwindigkeit, Plancksches
Wirkungsquantum, Newtons Gravitationskonstante) – physikalische Gesetz
gelten nicht überall oder zumindest nicht zu jeder Zeit (über Milliarden von
Jahren überall im Universum konstant) – aber: Feinstrukturkonstante: vor
einigen Milliarden Jahren um den Faktro 10-5 kleiner als heute – würde
wunderbar zur Stringtheorie passen; in 11 Dimensionen sind die
Naturkonstanten absolut konstant, in vier Dimensionen können sie gelegentlich
ein bißschen schwanken; neue Messungen widerlegen die alten Resultate
•
•
•
„… denn nichts würde die Streitfrage so spektakulär entscheiden, wie der
Anblick eines Strings in einem Teleskop“
Strings sollten Gravitationswellen erzeugen
Entdeckung weiterer Feldkräfte
60
ALICE
61
LHC
Large Hadron Collider
Symmetriebrechung
Higgs-Teilchen
Urknall
Stringtheorie
SUSY
Inflation
Dunkle Materie
etc.
62
Experimente am LHC
•
4 Experimente sind vorgesehen:
–
–
–
–
•
•
•
•
Eisenstrukturen
•
für CMS
ALICE
ATLAS
CMS
LHCb
ATLAS und CMS untersuchen ProtonProton-Kollisionen
LHCb misst die Eigenschaften von
Teilchen, die Bottom-Quarks enthalten
ALICE ist für Kollisionen von
Schwerionen optimiert
Die interessanten Kollisionen sind ca.
108-mal seltener als die als Untergrund
betrachteten Standardereignisse
bekannten physikalischen Ursprungs
In einem zeitl. Abstand von 25
Nanosekunden kollidieren die
Protonenstrahlen mit einer Energie von
jeweils 7 TeV miteinander, pro Sekunde
muß der Detektor 1011 Teilchen
verarbeiten (Anforderungen an Detektor,
etc.)
63
Higgs-Boson
•
Bei der Planung und Entwicklung der LHC-Experimente wurde
sichergestellt, daß das Higgs-Boson auf jeden Fall gefunden werden
kann, falls es eine Masse zwischen 100 GeV und 1 TeV besitzt
(ATLAS & CMS)
64
LHC: ALICE
Aufbau der Atome
Zeit-Projektionskammer
65
LHC: ALICE
•
•
•
•
•
•
Atome bestehen aus Neutronen und Protonen,
Elektronen
Protonen und Neutronen wiederum aus Quarks,
die durch Gluonen zusammengehalten werden,
Bindung der Quarks sehr stark, man erhält keine
freien Quarks sondern neue zusammengesetzte
Teilchen aus Quarks und Gluonen
Quantenchromodynamik sagt voraus, daß bei
hoher Temperatur und hoher Dichte Protonen und
Neutronen ihre Identität verlieren und Quarks
freigesetzt werden (Temp.: mehrere 100 000 mal
höher als im Innern der Sonne, Dichten wie im
Zentrum von Neutronensternen) Quark-GluonPlasma wird gebildet
Mini-Urknall ereugt den urspr. Zustand der
Materie, QGP-Feuerball expandiert, kühlt sich ab
und verwandelt sich in normale Materie
Einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall
war die Materie heiß und dicht und bildete das
QGP, unter der kritischen Temperatur entstehen
zusammengesetzte Teilchen – die Hadronen
vielversprechend!
Schwerionenkollisionsbeschleuniger in den USA
hat Hinweise auf die Bildung eines QGP geliefert .
LHC Energie um Faktor 30 gesteigert
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Massenspektrum
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LHC: ATLAS
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Vermessung von Elektronen, Myonen, TauLeptonen, Jets aus Quarks oder Gluonen
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Durchmesser:25m, Länge: 46 m; der größte
bislang gebaute Detektor der
Elemetarteilchenphysik
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Messung der Gesamtenergie der Teilchen:
Hinweise auf supersymmetrische Teilchen
ergeben sich aus einer nicht
ausgeglichenen Impuls/Energie-Bilanz
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Innerer Detektor (mißt Bahnkurven der bei
der Kollision produzierten geladenen
Teilchen im Magnetfeld), Kalorimeter
(Energiemessung), Myonspektrometer
(Myonen sind die einzigen geladenen
Teilchen, die im Kalorimeter nicht absorbiert
werden) großes System von
Toroidmagneten, 3-8 Tesla, supraleitende
Kabel mit Gesamtlänge von mehr als 70
km, Strom von 20000 Ampere
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LHC: ATLAS / Myonenspektrometer
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LHC: ATLAS
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Myon-Nachweissystem im
Vorwärtsbereich des ATLASDetektors, Segmente des 25m
hohen Spektrometers
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ATLAS:
– ca. 2200 Wissenschaftliche
Mitarbeiter
– 170 Institutionen aus 37 Ländern
– 15 Jahre Planung und Bau
– Höhe 25m, Länge 46m
– Gewicht 7000t
– ca. 100m tief unter der Oberfläche
– Gesamtmaterialkosten rd. 350
Mio. Euro
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CMS
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21m lang, Durchmesser:16m, 100
Mio Einzelteile, Kosten:350 Mio
Euro, 100m tief unter der Erde,
Gewicht: 12500 Tonnen (fast so
viel wie der Eiffelturm)
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Schwere, neue Teilchen erzeugen
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Higgs-Teilchen,
Supersymmetrische Teilchen
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Zusammensetzungen aus
schweren Quarks: Top-Quarks,
Elementarteilchen – schwer wie
Gold
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„Compact Muon Solenoid“,
weltweit größter supraleitender
Magnet
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CMS
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Simulation,
Zerfall eines
HiggsTeilchens in 4
Myonen
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Mini Schwarze Löcher
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Manche Modelle der supersymmetrischen Stringtheorie haben vergleichsweise große ExtraDimensionen mit Längen bis zu einem Mikrometer – large extra dimensions – LXD:
besonders interessant, die Stärke der Gravitationskraft ist bei kleinen Abständen im
Vergleich zum bekannten Newtonschen Gesetz viel stärker – um den Faktor von 1032 –
damit nimmt die Wahrscheinlichkeit Schwarze Löcher zu erzeugen dramatisch zu;
theoretisch können damit Schwarze Löcher auch dort entstehen, wo Materiebausteine mit
großer Wucht aufeinander treffen
Die Wahrscheinlichkeit für den Prozess der Erzeugung von Mini SL ist eine Million Mal
kleiner als für die üblichen Prozesse, aber einige 100 Mio Minis pro Jahr – Untersuchung der
Quantengravitation damit möglich
Sind sie stabil?
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Hawking-Strahlung,
Zerstrahlungsprozess läuft mit
Hawking-Temperatur ab, die umso
größer ist, je kleiner das SL, also
ungeheuer rasch
Arbeiten der Frankfurter Gruppe –
Hawkingschen Rechnungen sind nur
für extrem große Schwarze Löcher
anwendbar, fällt die seine Masse
unter 1000 Protonenmassen, so kann
es aufhören zu strahlen, zurück bleibt
ein stabiles Relikt
Diese Relikte könnten neue, stabile
Klasse von Elementarteilchen
darstenne, im Zwischenbereich von
Gravitation und Quantenphysik
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Mini Schwarze Löcher
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Erzeugung der Mini SL: Kip Thorne,
bringt man Teilchen näher
zusammen als der zur
Gesamtenergie gehörende
Schwarzschild-Radius, so kollabiert
das System und wird zu einem SL
LHC wirkt wie Mikroskop –
Strukturen von 10-18m sollten
untersucht werden
Beenden die Mini SL die Reise nach
innen?
Wie entdecken?
– Vollständige Unterdrückung von
hochenergetischen „back-toback-korrelierten Jets“ –
schmale Teilchenschauer, die in
entgegengesetzter Richtung
auseinander fliegen
– Zerfallsprodukte detektieren
– Hawking-Strahlung detektieren
– Jets (Schauer) klares Signal, 10
pro SL
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ALICE, ATLAS, CMS suchen SL
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Zusammenfassung
String-Theorie
Applaus!
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Verbindung zwischen ART und Quantenmechanik durch die räumliche Ausdehnung von
Strings
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Mathematische und physikalische Beschreibung des Gravitons
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Erklärung der Vielfalt von Elementarteilchen
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Erklärung der 3 Teilchenfamilien durch die Anzahl n-dimensionaler „Löcher“
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Abdämpfung von störenden Quanteneffekten bei gewissen physikalischen Prozessen und
Vereinheitlichung der nichtgravitatitven Kräfte durch Einbeziehen der Supersymmetrie
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Vermeidung einer Singularität zu Beginn des Universums durch T-Dualität
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Möglichkeit von Rissen in der Raumzeit (Wurmlöcher und Zeitreisen möglich)
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Erklärung der Dunklen Materie und Dunklen Energie
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Erklärung des Urknalls, der Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung
und der Dichtefluktuationen des frühen Universums
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Probleme & Fragen
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Grundzustand der Strings bis heute nicht bekannt
Gleichungen nicht exakt lösbar
Größe der Kopplungskonstanten nicht bekannt
Exakte Form der Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit nicht bekannt
Kein experimenteller Beweis für die Richtigkeit der Stringtheorie
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Wie und wann entstanden Raum und Zeit?
Was ist die Raumzeit?
Warum 10 Raumdimensionen?
Noch weitere kompaktifizierte Zeitdimensionen?
Warum sind die Elementarteilchen wie sie sind?
Was passiert, wenn zwei Branen kollidieren?
Was passiert im Innern eines Schwarzen Lochs?
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WS 08/09: Programm
E-mail: [email protected]
Internet: http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/sbritzen/
Tel.:
0228 525 280
Vorlesungs-Information: Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis, Universität Heidelberg
http://www.kip.uni-heidelberg.de/veranstaltungen/#up
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10.10.08: Überblick über die Themen des Semesters
24.10.08: Kurze Einführung in die String-Theorie
• 07.11.08: Urknall & Inflation
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21.11.08: Universum & Multiversen
05.12.08: …
19.12.08: Wurmlöcher und Schwarze Löcher
Weihnachtsferien
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09.01.09: Zeitreisen & Zeitmaschinen
23.01.09: GLAST
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