Vom Größten ins Kleinste (u.a. auf der Suche nach dem Higgs)
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Vom Größten ins Kleinste (u.a. auf der Suche nach dem Higgs) 1. 2. 3. 4. Kosmologie: Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Gekoppelte „Neutrino-Pendel“ Die Massen der Elementarteilchen Michael Kobel TU Dresden St Afra Gymnasium 28.1.2008 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 Die Sonne Gasball aus H2 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 Rückblick zum Urknall 1 ms bis 1s nach dem Urknall Antimaterie vernichtet ca. 99,9999999% der Materie Riesige Strahlungsmenge entsteht („Photonen“) Strahlung und Restmaterie bleiben in Wechselwirkung 380.000 Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Hintergrundstrahlung breitet sich ungehindert aus Strukturbildung im Universum Kleine Dichteunterschiede als Nachhall des Urknalls Verstärken sich durch „Aufsammeln“ aus Umgebung Schwerkraft: Wo schon viel ist, landet noch mehr Der Nachhall des Urknalls 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 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre… (13.700.000.000 Jahre Æ 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 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 Æ Klang des Universums Die Obertöne des Kosmischen Klangs • Astrophysiker erkennen an den Obertönen: •„Form“ des Universums • Zusammensetzung Das Ohr hört an Obertönen: • Art des Instruments • geübtes Ohr: Bauweise Schallwellen vermessen Geometrie υ (1/Dichte) λ (Geometrie) = f (Tonhöhe) Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge Æ Tonhöhe Form Æ Klang (Frequenzzusammensetzung) Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung a e i o u Universum: Kenne v und f Î bestimme λ (Maßstab) Raumkrümmung erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) Ω Ω = M / Mflach Ω<1 negativ gekrümmt flach Ω=1 positiv gekrümmt Ω>1 allgemeine Relativitätstheorie Geometrie = „Form“ des Universums Ω>1 Ω=1 13,3 Mrd. Lichtjahre bekannter Maßstab λ - neg. gekrümmt - flach - pos. gekrümmt Ω = 1,02 +- 0,02 Ω<1 Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie Ω atomare Materie (p,n,e): ΩB Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,… -- dämpft den ersten „Oberton“ -- verstärkt den zweiten „Oberton“ nichtatomare „dunkle“ Materie (ν, …): ΩDM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten „Oberton“ „dunkle“ Energie: ΩV „kosmologische Konstante“ „Vakuumenergie“ unverdünnbar meine größte Eselei !? Ω = ΩB + ΩDM + ΩV = 1 Ergebnis 5% atomare Materie (ΩΒ =0,05) 25% nichtatom. Materie (ΩDM =0,25) 70% „dunkle Energie“ (ΩV =0,70) insgesamt flach (Ω=1,02+−0,02 ) Zwischenbilanz • • • •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 Nur 30% des Universums ist Materie Ωm = ΩB + ΩDM = 0,3 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie möglicherweise uns völlig unbekannt 70% ist keine Materie, sondern „dunkle Energie“ und treibt das Universum auseinander 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 Î wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt Pendel als Waage für Neutrinos http://neutrinopendel.tu-dresden.de/animation.html Quantenphysik: Es gibt 3 Sorten von Neutrinos: νe νµ ντ („Pendel“) gekoppelt zu 3 stabilen Moden ν1 ν2 ν3 kleiner Energieunterschied ΔE2, abhängig von Kopplung Pendel: Frequenzunterschied Δf2 Neutrinos: Massenunterschied Δm2 Anregung nur eines Pendels: Regelmäßige Oszillationen der Pendel, abhängig von Kopplung Bei Herstellung nur einer Neutrinoart: Regelmäßige Umwandlungen in die andere(n) Art(en) Bei Nachweis nur einer Neutrinoart: Neutrinos scheinen zu „verschwinden“, abhängig von Δm2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen Δf2 Unsere Sonne Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberfläche! Neutrinos aus der Sonne Kernfusion in der Sonne: 4p Æ 4He + 2e+ + 2νe + 27 MeV Energie auf der Erde: 1011 solare Neutrinos / cm2 und Sekunde Produktion: 100% als „νe-Pendel“ νe νμ? ντ? Davis (1970 -2000): νe Nachweis auf der Erde Ergebnis: nur 30% der erwarteten νe Bestätigung (1995) Kamiokande (Sonne live! im „Neutrinolicht“) Der „Überlichtknall“ der Neutrinos SuperKamiokande 2000 50,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m ∅ 11146 Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan νe νµ ντ d u d n Wp e- μ− τ− u u d Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders! Atmosphärische Neutrinos Primäre Kosmische Strahlen (Protonen, He…) L=10~20 km π±, K± μ± νμ e± νμ • Es fehlen keine νe • Es fehlen νμ, umso mehr, je weiter der Weg war • Erklärung: νμÆ Im Idealfall νμ : νe = 2 : 1 νe νe und νμ aus Luftschauern: ντ Erklärung der Messungen • • • Sonnenneutrinos: weniger νe wegen Oszillation νe Æ νµ, τ Atmosphärische Neutrinos: weniger νµ wegen Oszillation νµ Æ ντ Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden ν1 ν2 ν3 ÎNeutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m2 messbar!) • Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < Ων< 4% • erklärt nur kleinen Teil der „dunklen“ Materie 1 2 3 Animation: Ch. Weinheimer Offene theoretische Fragen 3 Familien von Elementarteilchen z z Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien z z z Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei ? Beispiel: Symmetrie der starken „Farb“ladung im Neutron Gluonen sorgen für Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien ? Weitere Symmetrien ? z z.B: Supersymmetrie „SUSY“ zwischen Baustein- und Botenteilchen? Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen z z Masse (MeV/c²) z Erhalten Masse erst ~ 10-10 sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein „Higgs“ Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ? „Sandkorn .vs. Ozeandampfer“ 3x105 2x1013 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 172000 1300 106 90 5 4200 1777 2 0,5 Up Typ Down Typ Lepton +/Neutrino 0,000000001? 0 0,00000005 0,000000009 1 2 Familie 3 4 Die Bedeutung der Teilchenmassen Die Masse der Atome kommt z z Ändern von mu ,md oder me hätte z z z Leben: 30m große Kaltblütler in Grönland? Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 z z kaum Effekt auf makroskopische Massen kaum Effekt auf ΩB im Universum riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige me auf 0.025 MeV/c2 z nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: ekeine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 z z z p Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, γ, ν) n W- νe Anschaulich Leeres Vakuum z z Higgshintergundfeld z z z Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit. Teilchen werden durch WW mit dem Higgs-Hintergrund-Feld verlangsamt. Teilchen erhalten effektiv eine Masse. Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab. Higgs-Teilchen z z quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts ! Der Large Hadron Collider LHC am CERN pp-Kollisionen bei 14 TeV Collider Ring (vormals LEP) mit 27 km Umfang, 100m unterirdisch o ALICE ° ATLAS CMS ° LHC-b ATLAS Experiment am CERN, Genf Inbetriebnahme 2008 TU Dresden und ISEG Rossendorf Hochspannung für Energiemessung You are here… Ingesamt 1800 Wissenschaftler aus 170 Instituten aus 35 Ländern SM Higgs Suche bei ATLAS und CMS Higgs Masse unbekannt: z z Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle Nach 1-3 Jahren gut verstandener Daten: z SM Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden Andere Kandidaten für Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen z z Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? z z stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN 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 weniger als 5% der Gesamtenergie des Universums • Neutrinos erklären nur einen Bruchteil der 25% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall • Es gibt Ideen, was der Rest ist (Æ ATLAS / LHC Experiment 2008) • 70% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“, unverstanden, aber bestimmend für Zukunft des Weltalls • Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Mechanik sind eng verknüpft
