e - CERN Indico

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Die Kosmische Symphonie
Kosmologie und Teilchenphysik
1.
2.
3.
4.
5.
Kosmologie: Überblick
Die Mikrowellen vom Urknall
Dunkle Materie
Die Ursuppe
Die Entstehung der Masse
Michael Kobel
TU Dresden
Teilchenwelt Schülerworkshop CERN
17.6.2011
Strukturbildung im Universum
MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/
t = 0,2 Mrd. Jahre
20 Mio Lichtjahre
t = 4,7 Mrd. Jahre
150 Mio Lichtjahre
“erste Sterne”
t = 1,0 Mrd. Jahre
50 Mio Lichtjahre
“erste Galaxien”
t = heute
300 Mio Lichtjahre
Ursprung der Dichteunterschiede
Postulat:
Nachhall der Quantenfluktuationen des Urknalls,
„eingefroren“ durch Inflation
(überholen Ereignishorizont)
Verstärkt durch gravitatives
„Aufsammeln“ der Umgebung
Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund
Ursprung der Hintergrundstrahlung
Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall:
„Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen
0,9
:
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
Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre…
(13.700.000.000 Jahre  80 Jahre)
Ein Neugeborenes,
19 Stunden alt.
Erste Schritte
mit 13 Monaten
Schulanfang
mit 6 Jahren
Das Universum ist 80.
„Hat“ seit 5 Stunden
Homo Sapiens
Unsere Sonne
Wie lange braucht das Licht
(Photonen) vom Inneren an die
Sonnenoberfläche?
A: 2 sec
C: 12 Monate
B: 8 min
D: 100,000
100.000 Jahre
Analogie: Die Sonne
Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig
Innen: T > 10.000.000 K
Ionisation der Atome
freie Elektronen
Licht jeder Energie
wird absorbiert
und wieder emittiert
Erst nach ~100.000 Jahren
Ankunft nahe der Oberfläche
Oberfläche (Photosphäre)
T = 6000 K
Elektronen an
Atome gebunden
Licht kann entweichen
erreicht nach 8 min
ungehindert die Erde
Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung
1999
BOOMERanG
Temperaturschwankungen
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)
COBE
Mikrowellen als Babyfoto
Cobe 1994
WMAP 2003
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
Akustische Analogie I: Chladni-Figuren
Akustische Analogie II: Musikinstrumente
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
Vergleich der Akustischen Wellen
Schallgesc hwindigkei t im Gas  
p
Frequenz

f 

Luft
Frühes Universum
Wechselwirkung
Druck d. Stöße
Druck d. Strahlung
+ Gravitation (!)
Dichte
3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3 10-17
(bei 380.000 Jahren)

Verhält.
Zustandsgleichung pVk = const. p ~ k p = ⅓c2
Geschwindigkeit
v kp/ 340 m/s
vc/3 =1,7x108 m/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 !
Schallwellen vermessen Geometrie
 (Geometrie
)
 (1/ Dichte )
f (Tonhöhe)
Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung
Länge  Tonhöhe ( Saiten,  Pfeifen)
Form  Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung )
a
e
i
o
u
Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung
( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 )
Universum: Kenne v und f  bestimme  (Maßstab)
Geometrie der Raumkrümmung
erlaubt Rückschluss auf gesamten
Energieinhalt ( Masseninhalt) W
W = M / Mflach
W<1
negativ gekrümmt
flach
W1
positiv gekrümmt
W>1
allgemeine
Relativitätstheorie
Geometrie = „Form“ des Universums
W>1W1W<1
13,7 Mrd. Lichtjahre
bekannter
Maßstab

- neg. gekrümmt
- flach
- pos. gekrümmt
W= 1,005 +- 0,006
Das Universum als Spiegelsaal?
Flach:= Parallele bleiben Parallel
trotzdem endliches Volumen möglich!
einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung)
3D Visualisierung als Spiegelsaal
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
Beste Anpassung an CMB Daten:
(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)
http://arxiv.org/abs/0708.1420
Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre
(große Unsicherheiten!)
Zusammensetzung des Universums
Beiträge zur Gesamtenergie W
atomare Materie (p,n,e): WB
Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,…
-- dämpft den ersten „Oberton“
-- verstärkt den zweiten „Oberton“
nichtatomare „dunkle“ Materie (n,…): WDM
Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend
-- verstärkten den zweiten „Oberton“
„dunkle“ Energie: WV
„kosmologische Konstante“
„Vakuumenergie“
unverdünnbar
W= WB + WDM + WV = 1
Ergebnis
5% atomare Materie (WB 0,05)
22% nichtatom. Materie (WDM 0,22)
Summe: W1,00
73% „dunkle Energie“ (WV 0,73)!
Unabhängige Bestätigungen:
Supernovae und Galaxiencluster
WV
WB + WDM
Zwischenbilanz
• Nur 27% des Universums ist Materie
Wm = WB +WDM 0,27
• 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie
möglicherweise 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
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
Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos
Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte („flavor“) ne nµ nt ist
Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch. Massen
Summe von Tönen mit leicht verschiedenen Frequenzen
Regelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung)
Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied Df
Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen Massen
Regelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig von Dm2
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
Schwebungsfrequenz
Df der Töne
Flavor-Oszillation der Neutrinos
Dm2 der Massezustände
Größenordnung: ~Hz
0,1 – 10 kHz (Beobachter)
0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)
Beispiele von Messungen
• Sonnenneutrinos:
weniger ne wegen Oszillation ne  nµ, t
Atmosphärische Neutrinos: weniger nµ wegen Oszillation nµ  nt
CNGS Strahl:
Erscheinen von nt wegen Oszillation nµ  nt
• Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!)
zwischen den stabilen Moden n1 n2 n3
• Neutrinos haben Masse!!
(Allerdings hier
nur Differenzen
von m2 messbar!)
• Beitrag zur Masse
des Universums:
0.1% < Wn< 3%
• erklärt nur kleinen
Teil der „dunklen“
Materie
1
2
3
•Animation: Ch. Weinheimer
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
(ca 3000 /m3)?


stabil, massiv (> 50 Protonmassen),
schwache Wechselwirkung
Direkte Entdeckung möglich bei:
ATLAS & CMS am LHC des CERN
Mit dem LHC zurück zum Urknall

Heißes Universum <<-> typische Teilchenenergie
7
Sonne: T = 10 K <<-> E = 10-6 GeV
LHC : T > 1016K <<-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!)


Die „Ursuppe
„Ursuppe“:
“: Nachstellen im Teilchenensemble
ALICE: Pb+Pb  Quark
Quark--Gluon „Plasma“?
Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner Teilchen
ATLAS, CMS, LHCb
LHCb:: p+p  b, t, W, Higgs
Higgs?
? SUSY?
A lte r
LHC
Pb+Pb
T e m p e ra tu r
E n e rg ie
G rö ß e
10
-4 3
s
10
32
K
10
19
G eV
N a d e ls p itz e
10
-3 6
s
10
28
K
10
15
G eV
T e n n is b a ll
10
-2 4
s
10
22
K
10 G eV
50 km
10
-1 4
s
10
17
K
10000 G eV
w ie S o n n e
10
-1 0
s
10
15
K
100 G eV
s
10
13
K
1 G eV
10
10
K
0 .0 0 1 G e V
w ie S o n n en
-s ys te m
1 L ic h tja h r
10
-6
1s
9
1 m in
10 K
9
0 .0 0 0 1 G e V
5 0 L ic h tja h re
1 Jahr
10 K
6
0 .0 0 0 0 0 0 1 G e V
1 0 0 .0 0 0 J a h re
1 0 .0 0 0 K
1 eV
h e u te
3 K
w ie M ilch s tra ß e
1 M illio n
L ic h tja h re
1 0 M illia rd e n
L ic h tja h re
10
-4
eV
Theorien
LHC
(p+p)
gemessene
Einzelprozesse
(2008)
ALICE kocht die Ursuppe

Untersuchung des QuarkQuark-Gluon Plasmas

Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen




Eis schmilzt bei 0 oC @
@270
270 K
Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K
Beschleunige und Kollidiere „Hadronen
„Hadronen““-Eis,
um „Quark„Quark-Gluon
Gluon““-Wasser herzustellen
(erreiche > 200.000 fache Sonneninnentemperatur)
ALICE wird Eigenschaften dieses
neuen Materiezustand untersuchen
(Zustandsgleichung
Zustandsgleichung,, Brechungsindex, Suszeptibilität
Suszeptibilität,, Viskosität
Viskosität,,
Wärmeleitfähigkeit,, Schallgeschwindigkeit
Wärmeleitfähigkeit
Schallgeschwindigkeit,…)
,…)  ideale Flüssigkeit
Flüssigkeit?
?
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
Stabilität der Nukleonen:
Feine Abstimmung zwischen
 Starker Kraft
 Elektromagn. Abstoßung der Quarks

Massen(differenzen): md - mu , md - me
35
Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen

Die Masse der Atome kommt



Ändern von mu ,md oder me hätte




Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan?
Erniedrige md – me um 1 MeV
MeV/c
/c2



kaum Effekt auf Kern
ern-- und Atommassen
kaum Effekt auf Materiedichte
ABER:riesigen Effekt auf Mat.eigenschaften
Erniedrige me auf 0.025 MeV
MeV/c
/c2


nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine
99% aus Energie der Quarkbindung
ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs:
Wasserstoffs:
keine WasserstoffWasserstoff-Atome, n stabil
Erniedrige md – mu um 2 MeV
MeV/c
/c2



Proton- und Deuteriumzerfall
Keine Sterne
nur neutrale Teilchen (n, g,n)
p
n
W-
e-
ne
Animation: Was wäre wenn
wenn…
…
Kleinere W-Masse
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse
Kleinere Elektronmasse
View Online: www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn
Download: www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen/





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_1
R.N. Cahn,
„The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life
life“(1996)
“(1996)
http://arxiv.org/abs/hep--ph/9707380
http://arxiv.org/abs/hep
V.Agrawal,, S.M.Barr
V.Agrawal
S.M.Barr,, J.F.Donoghue
J.F.Donoghue,, D.Seckel
D.Seckel,,
„The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997)
http://arxiv.org/abs/astro--ph/9909295v2
http://arxiv.org/abs/astro
C. Hogan, „Why
„Why the Universe is Just So“ (1999)
http://arxiv.org/abs/0712.2968v1
Th Damour und J.F.Donoghue
J.F.Donoghue,,
„Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding
binding““ (2007)
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 Akustik
sind eng verknüpft
Literaturempfehlungen
(zusätzlich zu den schon genannten)
• Dieser Talk auf:
http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach)
•
Harald Lesch / Jörn Müller
Kosmologie für Helle Köpfe
(Goldmann Taschenbuch, 2006)
•
Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies
http://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html
(mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004)
• Kosmologie und Teilchenphysik generell
www.weltderphysik.de  Das Weltall, Welt des Allerkleinsten
www.teilchenphysik.de
•
Physik am LHC
www.weltmaschine.de
www.weltderphysik.de/de/351.php
•
Teilchenphysik für die Schule
www.teilchenwelt.de
www.physicsmasterclasses.org (nächste Veranstaltungen: März 2012)
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