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Kosmologie und Astroteilchenphysik
Prof. Dr. Burkhard Kämpfer, PD Dr. Daniel Bemmerer
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Einführung in die Kosmologie
Weltmodelle und kosmologische Inflation
Thermische Geschichte des Universums
Urknall-Nukleosynthese
Dunkle Energie, dunkle Materie und die beschleunigte Expansion des Universums
Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Supernovae als kosmische Standardkerzen
Neutronensterne
Entstehung und Nachweis kosmischer Strahlung
Altersbestimmung des Universums (heute)
Fundamentale Physik und die Sonne
11. Vorlesung, 24.06.2013
Text optional: Institutsname — Prof. Dr. Hans Mustermann — www.fzd.de — Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
Die Geschichte des Universums auf einer Folie
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Entfernungsmessung mittels Standardkerze: Prinzip
Fixsterne
Erde
Sonne
10 pc
Interstellare
Materie
Referenzstern
(Φ0,M)
Gesuchte Entfernung d
Stern
(Φ,m)
• 
Quadratisches Abstandsgesetz:
Φ ~ d-2
• 
Helligkeit in Magnituden m:
m = - 2.5 log10Φ + C
• 
Referenzstern in 10 pc Abstand:
M
Fluss Φ0, Helligkeit
d = 10pc ⋅10(m−M )/ 5
Standardkerzen mit empirischer Kalibrierung sind zum Beispiel:
• 
Veränderliche Sterne (Cepheiden, M hängt linear von der Periode ab)
• 
Supernovae vom Typ Ia (Helligkeit M im Maximum hängt von der Form der Lichtkurve ab)
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€
Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Entfernungsmessung und Kosmologie (1)
Weit entfernte Supernovae sind
lichtschwächer als erwartet!
Evidenz für eine kosmologische
Konstante ΩΛ>0.
Lichtschwächer
vergrößert,
nur Abweichungen von der
Geraden
a˙˙
4 πG
= − 2 ( ρc 2 + 3p)
a
3c
€
ΩM=0.3, ΩΛ=0.7
ΩM=0.3, ΩΛ=0.0
ΩM=1.0, ΩΛ=0.0
schneller
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Entfernungsmessung und Kosmologie (2)
a˙˙
4 πG
= − 2 ( ρc 2 + 3p)
a
3c
Physik-Nobelpreis 2011 für diese Entdeckung!
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Nukleokosmochronologie (1)
Rolfs/Rodney, Cauldrons
in the Cosmos, 1988
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Nukleokosmochronologie (2)
Rolfs/Rodney, Cauldrons in the Cosmos, 1988
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Nuklidkarte
Blau= β+/ECinstabile Kerne
Protonenzahl Z
(Ordnungszahl im
Periodensystem der
Elemente)
Gelb= αinstabile Kerne
Schwarz=
stabile Kerne
Rosa= β-instabile Kerne
Neutronenzahl N (Isotope eines Elements)
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Beispiel für Konkurrenz zwischen Kernzerfall und Kernreaktion:
Heißer CNO-Zyklus
Rot: β-Zerfall von 13N
(normaler CNOZyklus; 13N zerfällt in
aller Regel, bevor es
ein Proton einfangen
kann)
Blau: Rate für den Protoneneinfang an 13N für zwei
verschiedene Dichten des Sterns, in Abhängigkeit
von der Temperatur
(heißer CNO-Zyklus, spielt nur eine Rolle bei hohen
Temperaturen, daher der Name)
• 
Rot = normaler (“kalter”)
Bethe-WeizsäckerZyklus (CNO-Zyklus)
• 
Bei astrophysikalischen Temperaturen sind
Kernreaktionsraten stark temperaturabhängig,
Analog zur Rate von chemischen Reaktionen:
Höhere Temperatur, höhere Rate
Blau = Heißer CNOZyklus
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Wasserstoffbrennen:
Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)
Flaschenhals
1938 postuliert
• 
Flaschenhals: 14N(p,γ)15O
• 
0.8% der Energieproduktion der
Sonne
• 
Bestimmung des Alters von
Kugelsternhaufen
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
14N(p,γ)15O,
wie sieht es im Detail aus?
Zwei mögliche Ansätze für Experimente
(75±5)%
(5±1)%
(5±1)%
1. 
Untersuche Einfang in jeden Level im
Einzelnen, dann extrapoliere.
2. 
Untersuche alle Levels gleichzeitig in
einem Summendetektor, aber verzichte
(gezwungenermaßen) auf die
Extrapolation
(15±15)%
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
LUNA halbierte den 14N(p,γ)15O-Wirkungsquerschnitt!
Einfang in...
NACRE compilation
1999
LUNA, phase 1
2004
TUNL
2005
LUNA, phase 3
2008+2011
... 15O Grundzustand
1.55 ± 0.34
0.25 ± 0.06
0.49 ± 0.08
0.27 ± 0.05
…15O angeregte Zust.
1.65 ± 0.05
1.36 ± 0.05
1.27 ± 0.05
(1.39 ± 0.05)
3.2 ± 0.5 (tot)
1.6 ± 0.2 (tot)
1.8 ± 0.2 (tot)
1.66 ± 0.12 (tot)
S(0) in keV barn
M. Marta et al.,
Phys. Rev. C 83, 045804 (2011)
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
14N(p,γ)15O,
Messung aller Übergänge mit einem Summendetektor
4π BGO summing crystal
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Gesamter S-Faktor von 14N(p,γ)15O
Schröder et al. 1987
LUNA
2004-2006-2008
TUNL 2005
total
only
15O(GS)
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Gesamter S-Faktor von 14N(p,γ)15O, über einen weiten Energiebereich
8284 3/2
+
7556 1/2+
14
N+p
7297
10
3
10
2
10
1
10
0
14N(p,γ)15O astrophysical S factor
Total S-factor (sum of below components)
Capture to...
6792 keV state (Adelberger et al. 2011)
ground state (Marta et al. 2008)
6172 keV state (Adelberger et al. 2011)
5181 keV state (Imbriani et al. 2005)
6859 5/2+
6792 3/2
+
6172 3/2-
5241 5/2+
S(E) [keV barn]
7276 7/2+
10
-1
10
-2
5181 1/2+
15
O
0
1/2-
0
500
1000
6800
7000
7200
7400
7600
8284
7556
6792
E [keV]
7800
8000
8200
8400
Ex in 15 O [keV]
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Versuchsaufbau am HZDR Tandetron, Dresden
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Detektoren und Targets
15
cm
1 cm
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Resonanzstärken ωγ in den 14N(p,γ)15O- und 15N(p,αγ)12C-Reaktionen
278 keV
Normierungspunkt:
ωγ = (13.1 ± 0.6) meV
λ2 1
Y=
ωγ
2 SPeff
€
→M. Marta et al., Phys. Rev. C (2010)
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
Auswirkungen des niedrigeren 14N(p,γ)15O-Wirkungsquerschnitts
14N(p,γ)15O
• 
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• 
Wirkungsquerschnitt halbiert!
A. Formicola et al., Phys. Lett. B 591, 61 (2004)
A. Lemut et al., Phys. Lett. B 634, 483 (2006)
M. Marta et al., Phys. Rev. C 78, 022802 (R) (2008)
S(0) = 3.2 keV barn (1998)
→ 1.72±0.12 keV barn (2009)
1.  Unabhängige untere Schranke für das Alter des Universums: 14±2 Ga.
2.  Bessere Reproduktion der Kohlenstoffhäufigkeiten in Roten Riesen.
3.  Es ist möglich, den Stickstoffgehalt im Kern der Sonne über die emittierten CNONeutrinos zu bestimmen.
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Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de
14N(p,γ)15O
und 15O-Neutrinos aus der Sonne
u 
Q(β+, 15O) = 2.754 MeV
u 
Lebensdauer von 14N im Sonneninnern 108 a
u 
Flaschenhals: 14N(p,γ)15O
u 
∂ ln Φν (O-15)
=1
14
15
∂ ln S[ N(p, γ ) O]
15O
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Altersbestimmung sehr alter Sterne (in Kugelsternhaufen)
→  Hertzsprung-Russel-Diagramm, Abzweigen von der Hauptreihe
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Zusammenfassung
• 
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Nukleokosmochronologie mithilfe von Uran und Thorium
Bestimmung des Alters von Kugelsternhaufen mittels des CNO-Zyklus
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