Elementarteilchen aus dem Urknall

Präsentation zum Thema: "Elementarteilchen aus dem Urknall"—  Präsentation transkript:

1 Elementarteilchen aus dem Urknall
1.2 Thomas Hebbeker RWTH Aachen DPG 2003 , 60 min, DPG-Frühjahrstagung 2003 Aachen Bild: VLT, NGC 1232: 70 million light years VLT NGC 1232

2 Übersicht Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik
Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

3 Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

4 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien
Die Milchstraße Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand Erde-Sonne 25000 Lj Aachen Das Sonnensystem in der Milchstrasse „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse

5 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien
Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre Whirlpool = M91 = NGC 5194 (HAST) „Whirlpool“ 37 Millionen Lj Palomar Observatory, E. Hubble (1949)

6 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien
Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit!

7 Doppler-Effekt (Licht)
Radarkontrolle Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: Wellenlänge

8 Rotverschiebung der Spektrallinien
E. Hubble ROTverschiebung: Galaxien entfernen sich Universum expandiert !

9 „Big Bang“ = Ur-“Knall“
Zeit Raum Fred Hoyle 1950 - 15 Milliarden Jahre „Big Bang“ = Ur-“Knall“

10 Licht von der Urexplosion
Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K George Gamow: Nukleosynthese-Modell, Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman; letztere publ. 1948 Plancksche Strahlungskurve

11 Licht von der Urexplosion
Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K George Gamow: Nukleosynthese-Modell, Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman; letztere publ. 1948 Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Plancksche Strahlungskurve Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form

12 Die kosmische Hintergrundstrahlung
Penzias und R. Wilson 1965: COBE Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Plancksche Strahlungskurve

13 Entwicklung des Universums ?
Kollaps Beschleunigte Expansion In jedem Szenarium: Urknall !

14 Zusammenfassung Astrophysik
Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Licht aus „Urexplosion“ Pferdekopfnebel Big-Bang - Modell

15 Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

16 Die Struktur der Materie
= 1 fm elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Kernkraft = starke Wechselwirkung

17 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems
Atom aus Elektronen und Kern Neutrino Elektron Leptonen up-Quark down-Quark Neutrino ?! Kern aus Nukleonen Kernbausteine = Nukleonen: p = Proton = u + u + d (positiv) n = Neutron = u + d + d (neutral) Nukleon aus Quarks Grundbausteine sind punktförmig : “Elementarteilchen“ (heutige Messgenauigkeit = 1/1000 Protonradius)

18 Materie - Antimaterie Zu jedem Lepton und Quark existiert ein Antiteilchen Beispiele: Elektron Positron Neutrino Antineutrino Gibt es Galaxien, Planeten,... aus Antimaterie ? Asymmetrie im Universum

19 Der Beta-Zerfall p n e „schwache Kraft“ = „schwache Wechselwirkung“
~ Erforschung der Radioaktivität Alchemie – Umwandlung der Elemente ! Zerfall selten -> schwach ! Einzige Kraft, die Teilchen verwandeln kann ! Problem: Energiebilanz! - Freiwerdende Energie folgt aus Einsteins Formel - Kinetische Energien von p und e werden gemessen: etwa die Hälfte der kinetischen Energie fehlt !

20 Das Neutrino ? p e W. Pauli:
Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der Gauvereins-Tagung zu Tübingen, vom 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. ...

21 Neutrinos Eigenschaften:
sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr sehr kleine Masse, vielleicht null (< 1/ Elektronmasse) Harris/Grupen Quellen: Masselos -> Lichtgeschwindigkeit Wechselwirkung so klein, dass Voraussage: nicht nachweisbar Ka-40 im menschlichen Koerper: etwa 5000/s 1 kg Erde typisch einige hundert Bq natürliche Radioaktivität Sonne Supernovae Kernreaktoren „Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise ?“

22 „Project Poltergeist“
Neutrino-Nachweis n + e p Kernreaktor Savannah-River Reaktor 1956 C. Cowan, F. Reines „Project Poltergeist“ Cowan Reines

23 Methoden der experimentellen Teilchenphysik
Werkzeuge: Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren Ziele: Neue Teilchen (große Masse) Struktur der Teilchen (z.B. Proton) Kräfte bei hohen Energien HOHE ENERGIE ! Big Bang

24 Forschungszentren FERMILAB (USA) SLAC (USA) KEK (Japan)

25 HERA: e (30 GeV) + p (1000 GeV) Weltbestes Elektronenmikroskop + -
DESY

26 Kollisionsereignis im BABAR-Detektor (SLAC)
Magnetfeld

27 Das Standardmodell der Teilchenphysik
3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: + Gravitation leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon ) schwach: ermöglicht Umwandlungen (W-Boson,Z-Boson)

28 Das Standardmodell der Teilchenphysik
3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: ? Higgs ? Quarks: + Gravitation leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon ) schwach: ermöglicht Umwandlungen (W-Boson,Z-Boson)

29 LHC = Large Hadron Collider am CERN
7000 GeV p GeV p Start: 2007 p p Atlas Bis 2000: LEP = Large Electron Positron Collider

30 CMS-Detektor am LHC

31 Zusammenfassung Elementarteilchenphysik
Beschleuniger + Detektoren Standardmodell: 3 Familien von Leptonen und Quarks Starke und elektromagnetische und schwache Kraft ? Higgs ? Fermilab

32 Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

33 Astronomen und Teilchenphysiker
... damals ... ~ Erforschung der Radioaktivität

34 Astronomen und Teilchenphysiker
... heute ... NASA/HST CERN/LEP

35 Astronomen und Teilchenphysiker
... heute ... NASA/HST CERN/LEP NASA (Hubble – Teleskop) CERN (LEP-Beschleuniger)

36 Astronomen und Teilchenphysiker
„Kein Zweifel, lieber Kollege –wir haben den Sinn des Universums berechnet !“

37 Prozesse im frühen Universum
heute Atome Prozesse im frühen Universum Kerne Teilchenphysik

38 Bildung von Atomen t = 300 000 J. T = 3000 K E = 0.3 eV + - Kerne
Kerne H-Kern + e g H-Atom He-Kern + 2 e g He-Atom Licht kann sich ungehindert ausbreiten, Universum wird durchsichtig! Hintergrundstrahlung!

39 Nukleosynthese t = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV
2 n + 2 p g He-Kern p = H-Kern n zerfällt Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Supernovae !

40 Die Chemie des Universums
Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % % Wasserstoff Helium Wir bestehen aus Sternenasche !

41 Neutrinos aus dem Urknall
Entstehung: t << 1 sec „Entkopplung“: t = 1 sec T = 10 Milliarden K E = 1 MeV Neutrinos aller Sorten ( ) plus Antineutrinos !

42 Inhalt: Zusammensetzung pro : Kinetische Energie: (noch) pfandfrei !

43 Fragen: Kann man diese Neutrinos nachweisen ? bisher nicht (da Wechselwirkung schwach und Energie sehr klein) Woher kennt man die Zahl / ? Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung + Rechnungen Bleiben die Neutrinos in der Dose ? Nein, sie fliegen von allen Richtungen mit hoher Geschwindigkeit rein und raus

44 Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

45 Neutrino-Masse ? Wichtig für Teilchenphysik und Kosmologie: Kollaps des Universums ? ? Universum: 1 Milliarde mal mehr Neutrinos als Nukleonen ! Massenbestimmung: Genaue Messungen des Beta-Zerfalls Neutrino-Oszillationen ? (B. Pontecorvo 1969)

46 Neutrino-Oszillations-Experimente
Beschleunigerexperimente 53 reactors Reaktorneutrinos Sonnen-Neutrinos

47 Super-Kamiokande Japan

48 Neutrino-Eigenschaften
Nobelpreis 2002 Neutrino-Oszillationen in mehreren Experimenten nachgewiesen! R. Davis, M. Koshiba Sonne rehabilitiert ! Neues Verständnis der schwachen Wechselwirkung Neutrinos haben eine Masse Beitrag der Big-Bang-Neutrinos zur Masse des Universums: gleiche Größenordnung wie Atome oder weniger (Elektron: )

49 Faszinierende Ergebnisse die unser Weltbild prägen
Zusammenfassung Astrophysik + Teilchenphysik = Kosmologie Faszinierende Ergebnisse die unser Weltbild prägen LHC-Tunnel

50 ANHANG

51 Doppler-Effekt (Akustik)
Radarkontrolle Christian Doppler 1842 Prag, Schall und Licht Ruhende Quelle Bewegte Quelle

52 Plan: TESLA-Linearbeschleuniger
= TeV Energy Superconducting Linear Accelerator

53 Neutrino-Physik in Aachen
Gargamelle- Blasenkammer 1973