Kosmologie und Astroteilchenphysik Prof. Dr. Burkhard Kämpfer, PD Dr. Daniel Bemmerer • • • • • • • • • • • 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 Slide 2 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) Slide 3 € 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 Slide 4 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! Slide 5 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Nukleokosmochronologie (1) Rolfs/Rodney, Cauldrons in the Cosmos, 1988 Slide 6 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Nukleokosmochronologie (2) Rolfs/Rodney, Cauldrons in the Cosmos, 1988 Slide 7 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) Slide 8 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 Slide 9 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de 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 Slide 10 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)% Slide 11 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) Slide 12 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 Slide 13 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) Slide 14 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de 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] Slide 15 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Versuchsaufbau am HZDR Tandetron, Dresden Slide 16 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Detektoren und Targets 15 cm 1 cm Slide 17 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) Slide 18 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 • • • 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. Slide 19 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 Slide 20 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Altersbestimmung sehr alter Sterne (in Kugelsternhaufen) → Hertzsprung-Russel-Diagramm, Abzweigen von der Hauptreihe Slide 21 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de Zusammenfassung • • Nukleokosmochronologie mithilfe von Uran und Thorium Bestimmung des Alters von Kugelsternhaufen mittels des CNO-Zyklus Slide 22 Daniel Bemmerer | 11. Vorlesung 24.06.2013 | Kosmologie und Astroteilchenphysik | http://www.hzdr.de