Elementarteilchen aus dem Urknall - Server der Fachgruppe Physik
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Elementarteilchen aus dem Urknall T.Hebbeker 1.2 Thomas Hebbeker RWTH Aachen DPG 2003 VLT NGC 1232 T.Hebbeker Übersicht Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik T.Hebbeker Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Die Milchstraße T.Hebbeker Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand ErdeSonne 25000 Lj Aachen „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Das Sonnensystem in der Milchstrasse Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre „Whirlpool“ Palomar Observatory, E. Hubble (1949) 37 Millionen Lj T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit! Doppler-Effekt (Licht) Sonnenlicht: T.Hebbeker Atomare Spektrallinien: 0.4 µm 0.8 µm Wellenlänge Rotverschiebung der Spektrallinien T.Hebbeker E. Hubble 0.4 Universum expandiert ! µm 0.8 - 15 Milliarden Jahre Zeit Raum „Big Bang“ = Ur-“Knall“ T.Hebbeker Sonne Licht von der Urexplosion T.Hebbeker Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve Sonne Licht von der Urexplosion T.Hebbeker Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form Plancksche Strahlungskurve T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung A. Penzias und COBE R. Wilson 1965: Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos Plancksche Strahlungskurve = Blitz der Urexplosion Entwicklung des Universums ? T.Hebbeker Kollaps Beschleunigte Expansion In jedem Szenarium: Urknall ! T.Hebbeker Zusammenfassung Astrophysik Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Big-Bang Licht aus „Urexplosion“ - Modell T.Hebbeker Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik Die Struktur der Materie T.Hebbeker = 1 fm elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Kernkraft = starke Wechselwirkung Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems Neutrino Elektron T.Hebbeker Atom aus Elektronen und Kern Leptonen up-Quark down-Quark Kern aus Nukleonen Kernbausteine = Nukleonen: p = Proton =u+u+d n = Neutron = u + d + d (positiv) (neutral) Nukleon aus Quarks Grundbausteine sind punktförmig : “Elementarteilchen“ (heutige Messgenauigkeit = 1/1000 Protonradius) Materie - Antimaterie T.Hebbeker Zu jedem Lepton und Quark existiert ein Antiteilchen Beispiele: e − Elektron e + Positron νe νe Neutrino Antineutrino Gibt es Galaxien, Planeten,... aus Antimaterie ? Der Beta-Zerfall n→ pe − T.Hebbeker p n e „schwache Kraft“ = „schwache Wechselwirkung“ ! Einzige Kraft, die Teilchen verwandeln kann ! Problem: Energiebilanz! - Freiwerdende Energie folgt aus Einsteins Formel E =m⋅c 2 - Kinetische Energien von p und e werden gemessen: etwa die Hälfte der kinetischen Energie fehlt ! Das Neutrino ? W. Pauli: Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der GauvereinsTagung zu Tübingen, vom 4.12.1930 T.Hebbeker − n→ pe νe p νe e Liebe Radioaktive Damen und Herren! ... es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutrinos nennen will, in den Kernen existieren ... ... dass mit dem Elektron jeweils noch ein Neutrino emittiert wird, derart, dass die Summe der Energien von Neutrino und Elektron konstant ist. .... ... Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfindenden Balles hier unabkömmlich bin. ... Neutrinos Eigenschaften: T.Hebbeker ν • sehr kleine Masse, vielleicht null (< 1/100000 Elektronmasse) Quellen: Harris/Grupen • sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr • natürliche Radioaktivität • Sonne • Supernovae • Kernreaktoren „Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise ?“ Neutrino-Nachweis n νe T.Hebbeker νe p→ne e+ p Kernreaktor 1956 C. Cowan, F. Reines „Project Poltergeist“ Cowan Reines + Methoden der experimentellen Teilchenphysik T.Hebbeker Werkzeuge: • Teilchenbeschleuniger • Teilchendetektoren Ziele: • Neue Teilchen (große Masse) E =m⋅c • Struktur der Teilchen (z.B. Proton) • Kräfte bei hohen Energien Big Bang 2 HOHE ENERGIE ! Forschungszentren T.Hebbeker FERMILAB (USA) SLAC (USA) KEK (Japan) HERA: e (30 GeV) + p (1000 GeV) Weltbestes Elektronenmikroskop T.Hebbeker 1V + - DESY Kollisionsereignis im BABAR-Detektor (SLAC) T.Hebbeker e+e− 10 GeV Das Standardmodell der Teilchenphysik T.Hebbeker 3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: • stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) • elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon γ ) • schwach: ermöglicht Umwandlungen e ↔ν e (W-Boson,Z-Boson) µ ↔ν µ u ↔ d ( p ↔ n) Das Standardmodell der Teilchenphysik T.Hebbeker 3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: • stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) • elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon γ ) • schwach: ermöglicht Umwandlungen e ↔ν e (W-Boson,Z-Boson) µ ↔ν µ u ↔ d ( p ↔ n) LHC = Large Hadron Collider am CERN Start: 2007 7000 GeV p + 7000 GeV p Atlas p p Bis 2000: LEP = Large Electron Positron Collider T.Hebbeker CMS-Detektor am LHC T.Hebbeker Zusammenfassung Elementarteilchenphysik Beschleuniger + Detektoren Standardmodell: 3 Familien von Leptonen und Quarks Starke und elektromagnetische und schwache Kraft ? Higgs ? Fermilab T.Hebbeker T.Hebbeker Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik Astronomen und Teilchenphysiker ... damals ... T.Hebbeker Astronomen und Teilchenphysiker ... heute ... T.Hebbeker Astronomen und Teilchenphysiker T.Hebbeker ... heute ... NASA (Hubble – Teleskop) CERN (LEP-Beschleuniger) Astronomen und Teilchenphysiker „Kein Zweifel, lieber Kollege –wir haben den Sinn des Universums berechnet !“ T.Hebbeker Prozesse im frühen Universum heute 15 Milliarden J . T.Hebbeker 300 000 J . Atome 3 min Kerne 1 sec 10Milliarden Teilchenphysik Bildung von Atomen t = 300 000 J. T = 3000 K E = 0.3 eV 3 min H-Kern + e H-Atom He-Kern + 2 e + - Kerne He-Atom Licht kann sich ungehindert ausbreiten, Universum wird durchsichtig! T.Hebbeker 1V Hintergrundstrahlung! T.Hebbeker Nukleosynthese t = 3 min 2n+2p T = 1 000 000 000 K He-Kern E = 0.1 MeV p = H-Kern n zerfällt Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Supernovae ! Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: 75 % Wasserstoff T.Hebbeker Am Ende des Sternenlebens: 25 % Helium Wir bestehen aus Sternenasche ! Neutrinos aus dem Urknall Entstehung: T.Hebbeker t << 1 sec „Entkopplung“: t = 1 sec T = 10 Milliarden K Neutrinos aller Sorten ( ν e ν µ ντ ) E = 1 MeV plus Antineutrinos ! T.Hebbeker Inhalt: 35cm 3 Zusammensetzung pro cm 55ν e + 55ν e 55ν µ + 55ν µ 55ν τ + 55ν τ Kinetische Energie: (noch) pfandfrei ! ~ 0.000001 eV 3 : Fragen: • Kann man diese Neutrinos nachweisen ? bisher nicht (da Wechselwirkung schwach und Energie sehr klein) • Woher kennt man die Zahl / cm 3 ? Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung + Rechnungen •Bleiben die Neutrinos in der Dose ? Nein, sie fliegen von allen Richtungen mit hoher Geschwindigkeit rein und raus T.Hebbeker T.Hebbeker Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik Neutrino-Masse ? T.Hebbeker Wichtig für Teilchenphysik und Kosmologie: Kollaps des Universums ? ν ? Universum: 1 Milliarde mal mehr Neutrinos als Nukleonen ! Massenbestimmung: a) Genaue Messungen des Beta-Zerfalls b) Neutrino-Oszillationen ? νe n → p e− ν e (B. Pontecorvo 1969) νµ Neutrino-Oszillations-Experimente T.Hebbeker Beschleunigerexperimente Reaktorneutrinos SonnenNeutrinos Super-Kamiokande ν → e → Licht Japan T.Hebbeker Neutrino-Eigenschaften T.Hebbeker Neutrino-Oszillationen in mehreren Experimenten nachgewiesen! • Sonne rehabilitiert ! .K M is, v Da . R o ib sh a • Neues Verständnis der schwachen Wechselwirkung • Neutrinos haben eine Masse eV eV ~ 0.01 2 ..... ~ 1 2 c c eV (Elektron: 500000 2 ) c • Beitrag der Big-Bang-Neutrinos zur Masse des Universums: gleiche Größenordnung wie Atome oder weniger Zusammenfassung T.Hebbeker Astrophysik + Teilchenphysik = Kosmologie LHCTunnel Faszinierende Ergebnisse die unser Weltbild prägen http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/index.html#presentations ANHANG T.Hebbeker T.Hebbeker Doppler-Effekt (Akustik) Ruhende Quelle Bewegte Quelle Plan: TESLA-Linearbeschleuniger = TeV T.Hebbeker Energy Superconducting Linear Accelerator (e + e − 500 GeV ) Neutrino-Physik in Aachen GargamelleBlasenkammer 1973 ν µ e →ν µ e T.Hebbeker
