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Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik 1.Kosmologie: Überblick 2.Die Mikrowellen vom Urknall 3.Dunkle Materie 4.Die Ursuppe 5.Die Entstehung.

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Präsentation zum Thema: "Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik 1.Kosmologie: Überblick 2.Die Mikrowellen vom Urknall 3.Dunkle Materie 4.Die Ursuppe 5.Die Entstehung."—  Präsentation transkript:

1 Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik 1.Kosmologie: Überblick 2.Die Mikrowellen vom Urknall 3.Dunkle Materie 4.Die Ursuppe 5.Die Entstehung der Masse Michael Kobel TU Dresden Teilchenwelt Schülerworkshop CERN

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

3 Postulat: Nachhall der Quanten- fluktuationen des Urknalls, eingefroren durch Inflation (überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives Aufsammeln der Umgebung Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund Ursprung der Dichteunterschiede

4 Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis zu Jahre nach Urknall: Plasma aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 0,9 : 0,05 : 1 : 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… ( Jahre 80 Jahre) Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo Sapiens Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Schulanfang mit 6 Jahren

6 Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec B: 8 min C: 12 Monate D: Jahre D: 100,000 Jahre

7 Analogie: Die Sonne 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 Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig

8 Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung 1999 BOOMERanG

9 Temperaturschwankungen COBE Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 o C) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)

10 WMAP 2003 Cobe 1994 Mikrowellen als Babyfoto

11 Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K heiße und kalte Flecken = dichte und dünne Gebiete genau wie bei Schall Klang des Universums Nach Abzug unserer Milchstraße

12 Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

13 Akustische Analogie II: Musikinstrumente

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

15 Vergleich der Akustischen Wellen Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz ! LuftFrühes UniversumVerhält. WechselwirkungDruck d. StößeDruck d. Strahlung + Gravitation (!) Dichte3x10 25 Moleküle / m 3 3x10 8 Protonen / m 3 (bei Jahren) Zustandsgleichung Geschwindigkeit Wellenlänge Frequenz pV = const. p ~ p = c 2 v p 340 m/s v c 3 =1,7x10 8 m/s 20 mm – 20 m – Lj – 17 Hz – 0,4x Hz

16 Schallwellen vermessen Geometrie Universum: Kenne v und f bestimme (Maßstab) Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen) Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF 6 ) aeiou

17 Geometrie der Raumkrümmung flach negativ gekrümmt positiv gekrümmt erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) = M / M flach allgemeine Relativitäts- theorie

18 bekannter Maßstab - neg. gekrümmt - flach - pos. gekrümmt 13,7 Mrd. Lichtjahre Geometrie = Form des Universums = 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 atomare Materie (p,n,e): B Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,… -- dämpft den ersten Oberton -- verstärkt den zweiten Oberton nichtatomare dunkle Materie ( … ): DM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten Oberton dunkle Energie: V kosmologische Konstante Vakuumenergie unverdünnbar = B + DM + V = 1

22 Ergebnis 5% atomare Materie 22% nichtatom. Materie DM Summe: 73% dunkle Energie V !

23 Unabhängige Bestätigungen: Supernovae und Galaxiencluster V B + DM

24 Zwischenbilanz Nur 27% des Universums ist Materie m = B DM 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) schwach wechselwirkend: von schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt Neutrinos: Singles des Universums

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

27 Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) 3 2 e 1 e f 46/min 43/min 42/min P2P2 P1P1 P3P3

28 Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte (flavor) e µ ist Summe dreier stabiler Neutrinos 1 2 mit leicht versch. Massen Summe von Tönen mit leicht verschiedenen Frequenzen Regelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung) Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied f Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen Massen Regelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig von m 2

29 Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung AkustikNeutrinos Schallwelle Töne (feste Frequenz) Klang= Überlagerung der Töne Lautstärke Schallamplitude 2 QM-Nachweiswahrscheinlichkeit |Wellenfunktion| 2 Größenordnung: ~Hz 0,1 – 10 kHz (Beobachter) 0,1 – 10 THz ( -Eigenzeit) Schwebungsfrequenz f der Töne Kreisbewegung der Phase Massezustände ( feste Phasenfrequenz) Flavorzustand = QM-Mischung der Massenzustände Flavor-Oszillation der Neutrinos m 2 der Massezustände

30 Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < < 3% erklärt nur kleinen Teil der dunklen Materie Beispiele von Messungen Sonnenneutrinos: weniger e wegen Oszillation e µ, Atmosphärische Neutrinos: weniger µ wegen Oszillation µ CNGS Strahl: Erscheinen von wegen Oszillation µ Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden 1 2 Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m 2 messbar!) Animation: Ch. Weinheimer 1 2 3

31 Andere Kandidaten für Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen? Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse Verständnis großer Zahlenverhältnisse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m 3 )? Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m 3 )? stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN

32 Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum typische Teilchenenergie Sonne: T = 10 7 K E = GeV LHC : T > K E > 10 3 GeV (>10 9 mal höher!) Heißes Universum typische Teilchenenergie Sonne: T = 10 7 K E = GeV LHC : T > K E > 10 3 GeV (>10 9 mal höher!) Die Ursuppe: Nachstellen im Teilchenensemble ALICE: Pb+Pb Quark-Gluon Plasma? 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? Das Suppenpulver: Prozesse einzelner Teilchen ATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY? gemessene Einzelprozesse (2008) Theorien LHC (p+p) LHC Pb+Pb

33 Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Neuer Zustand von Materie: flüssige(?) Quarks und Gluonen Neuer Zustand von Materie: flüssige(?) Quarks und Gluonen Eis schmilzt bei 0 o C 270 K Eis schmilzt bei 0 o C 270 K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x10 12 K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x10 12 K Beschleunige und Kollidiere Hadronen-Eis, um Quark-Gluon-Wasser herzustellen (erreiche > fache Sonneninnentemperatur) 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? ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen (Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…) ideale Flüssigkeit? ALICE kocht die Ursuppe

34 Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer? ? 3x10 5 2x10 13

35 Die Bedeutung der Teilchenmassen 35 Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): m d - m u, m d - m e Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien Bindungsenergie steigt mit m e Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e

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

37 Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. 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) 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) 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) 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) Th Damour und J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007) Animation: Was wäre wenn… Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse View Online: Download:

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 verknüpftKosmologie 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)


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