Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik

Präsentation zum Thema: "Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik"—  Präsentation transkript:

1 Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik
Kosmologie: Überblick Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Die Ursuppe Die Entstehung der Masse Michael Kobel TU Dresden Teilchenwelt Schülerworkshop CERN Der Zugang zu für die menschlichen Sinne nicht fassbaren Vorgängen wie dem Urknall oder der Quantenphysik kann insbesondere in der Schule durch Analogien mit erfahrbaren Phänomenen erfolgen. Der Vortrag versucht, mit Methoden und Begrifflichkeiten der Akustik und der Musik einige der grundlegenden Phänomene der Kosmologie und Teilchenphysik zu veranschaulichen: Das Musikinstrument Universum mit einem Grundton von 0,04 pHz verrät in den Obertönen der kosmischen Hintergrundstrahlung seine materielle Zusammensetzung, die Oszillationen der Neutrinos entstehen beim Stimmen ihres Flavor-Orchesters als Schwebungsfrequenz von bis zu 4 PHz, und der Large Hadron Collider am CERN versucht, auf einem Instrument einen Ton zu erzeugen, von dem man noch gar nicht weiß, ob es überhaupt existiert: dem Higgs-Feld.   

2 Strukturbildung im Universum
MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation t = 4,7 Mrd. Jahre 150 Mio Lichtjahre t = 0,2 Mrd. Jahre 20 Mio Lichtjahre “erste Sterne” t = 1,0 Mrd. Jahre 50 Mio Lichtjahre t = heute 300 Mio Lichtjahre “erste Galaxien”

3 Ursprung der Dichteunterschiede
Postulat: Nachhall der Quanten- fluktuationen des Urknalls, „eingefroren“ durch Inflation (überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives „Aufsammeln“ der Umgebung Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund Wo schon viel ist, lander noch mehr

4 Ursprung der Hintergrundstrahlung
Bis zu Jahre nach Urknall: „Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen , : , : : Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung Temperatur T > 6000 K  Ionisation von H-Atomen durch Photonen Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Strahlung breitet sich ungehindert aus u.a,.Materie-Antimaterie Vernichtung in Photonen

5 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre… (13. 700. 000
Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre… ( Jahre  80 Jahre) Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Das Universum ist 80. „Hat“ seit 5 Stunden Homo Sapiens Schulanfang mit 6 Jahren

6 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 Jahre D: Jahre

7 Analogie: Die Sonne Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig
Innen: T > K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~ Jahren Ankunft nahe der Oberfläche Oberfläche (Photosphäre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

8 Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung
BOOMERanG

9 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

10 Mikrowellen als Babyfoto
Cobe 1994 WMAP 2003

11 Nach Abzug unserer Milchstraße
entspricht Dicke eines Haares auf 2,73m Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete genau wie bei Schall  Klang des Universums

12 Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

13 Akustische Analogie II: Musikinstrumente
1. Versuch: Gummiseile 2.Versuch; Rubenssches Flammrohr

14 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 3. Versuch: Chladni Figuren

15 Vergleich der Akustischen Wellen
Luft Frühes Universum Verhält. Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung + Gravitation (!) Dichte 3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3 (bei Jahren) 10-17 Zustandsgleichung pVk = const. p ~ rk p = ⅓c2r Geschwindigkeit v = Ökp/r = 340 m/s v= c/Ö 3 =1,7x108 m/s Wellenlänge 20 mm – 20 m – Lj 4.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo 6.Versuch: Pfeife mit Helium 7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen Frequenz – 17 Hz 10-12 – 0,4x10-13 Hz Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !

16 Schallwellen vermessen Geometrie
Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge  Tonhöhe ( Saiten,  Pfeifen) Form  Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 ) a e i o u 4.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo 6.Versuch: Pfeife mit Helium 7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen Universum: Kenne v und f  bestimme l (Maßstab)

17 Geometrie der Raumkrümmung
erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / Mflach negativ gekrümmt W < 1 flach W = 1 positiv gekrümmt W > 1 allgemeine Relativitäts- theorie 8. Versuch: Trommel und 2 Kugeln 9. Versuch: großer Ball, Becherglas mit Blatt Papier

18 Geometrie = „Form“ des Universums
W > W = W < 1 bekannter Maßstab l 13,7 Mrd. Lichtjahre - neg. gekrümmt - flach - pos. gekrümmt W = 1, ,006

19 Das Universum als Spiegelsaal?
Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich! einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung) 3D Visualisierung als Spiegelsaal

20 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 Beste Anpassung an CMB Daten: (Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008) Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre (große Unsicherheiten!)

21 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

22 Ergebnis 5% atomare Materie (WB =0,05)
22% nichtatom. Materie (WDM =0,22) Summe: W=1,00  73% „dunkle Energie“ (WV =0,73) !

23 Unabhängige Bestätigungen: Supernovae und Galaxiencluster
=WV = WB + WDM

24 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

25 Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“?
1930: theoretische Einführung (Pauli) 1956: experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) Neutrinos: “Singles“ des Universums schwach wechselwirkend: von schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3  wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

26 Der „Überlichtknall“ der Neutrinos
(Super)Kamiokande 50,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m Æ 11146 Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan ne nµ nt d u e- m- t-u u d W- n p Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

27 Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) n3 = ( nm + nt)/Ö2 n2 = (-ne + nm + nt)/Ö3 n1 = (2ne + nm + nt)/Ö6 f 46/min 43/min 42/min P3 P1 P2

28 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 10. Versuch: Neutrinopendel 11.Versuch Schwebungen

29 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)

30 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 Animation: Ch. Weinheimer

31 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 3000 /m3)? stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN

32 Mit dem LHC zurück zum Urknall
Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie Sonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!) Die „Ursuppe“: Nachstellen im Teilchenensemble ALICE: Pb+Pb  Quark-Gluon „Plasma“? Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner Teilchen ATLAS, CMS, LHCb: p+p  b, t, W, Higgs? SUSY? Theorien LHC (p+p) LHC Pb+Pb gemessene Einzelprozesse (2008)

33 ALICE kocht die Ursuppe
Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen Eis schmilzt bei K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K Beschleunige und Kollidiere „Hadronen“-Eis, um „Quark-Gluon“-Wasser herzustellen (erreiche > fache Sonneninnentemperatur) ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen (Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…)  ideale Flüssigkeit?

34 Die Ruhemassen der Bausteine
Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein „Higgs“ Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? „Sandkorn .vs. Ozeandampfer“? 3x105 2x1013 ?

35 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

36 Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen
Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Kern- und Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte ABER:riesigen Effekt auf Mat.eigenschaften Erniedrige me auf MeV/c2 Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan? Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, g, n) p n W- e ne

37 Animation: Was wäre wenn…
Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)

38 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

39 Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten)
Dieser Talk auf: (Projekt: Outreach) Harald Lesch / Jörn Müller Kosmologie für Helle Köpfe (Goldmann Taschenbuch, 2006) Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies (mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004) Kosmologie und Teilchenphysik generell  Das Weltall, Welt des Allerkleinsten Physik am LHC Teilchenphysik für die Schule (nächste Veranstaltungen: März 2012)