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T.Hebbeker Elementarteilchen aus dem Urknall Thomas Hebbeker RWTH Aachen DPG 2003 1.2 VLT NGC 1232.

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1 T.Hebbeker Elementarteilchen aus dem Urknall Thomas Hebbeker RWTH Aachen DPG VLT NGC 1232

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

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

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

5 T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Palomar Observatory, E. Hubble (1949) Nachbargalaxie Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Andere Galaxien Whirlpool 37 Millionen Lj

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

7 T.Hebbeker Doppler-Effekt (Licht) Atomare Spektrallinien: Sonnenlicht: Wellenlänge

8 T.Hebbeker Universum expandiert ! E. Hubble Rotverschiebung der Spektrallinien

9 T.Hebbeker Big Bang = Ur-Knall Raum Zeit - 15 Milliarden Jahre

10 T.Hebbeker Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) Sonne T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve

11 T.Hebbeker Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form Sonne Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve

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

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

14 T.Hebbeker Zusammenfassung Astrophysik Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Licht aus Urexplosion Big-Bang - Modell

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

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

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

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

19 T.Hebbeker Der Beta-Zerfall schwache Kraft = schwache Wechselwirkung Problem: Energiebilanz! - Freiwerdende Energie folgt aus Einsteins Formel - Kinetische Energien von p und e werden gemessen: etwa die Hälfte der kinetischen Energie fehlt ! n p e ! Einzige Kraft, die Teilchen verwandeln kann !

20 T.Hebbeker Das Neutrino ? 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.... W. Pauli: Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der Gauvereins- Tagung zu Tübingen, vom p e

21 T.Hebbeker Neutrinos Eigenschaften: Quellen: natürliche Radioaktivität Sonne Supernovae Kernreaktoren Harris/Grupen sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr sehr kleine Masse, vielleicht null (< 1/ Elektronmasse) Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise ?

22 T.Hebbeker Neutrino-Nachweis Cowan Reines 1956 C. Cowan, F. Reines Project Poltergeist Kernreaktor p n e +

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

24 T.Hebbeker Forschungszentren FERMILAB (USA) SLAC (USA) KEK (Japan)

25 T.Hebbeker HERA: e (30 GeV) + p (1000 GeV) Weltbestes Elektronenmikroskop + - DESY 1 V

26 T.Hebbeker Kollisionsereignis im BABAR-Detektor (SLAC)

27 T.Hebbeker Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: 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) leicht schwer sehr schwer 3 Familien

28 T.Hebbeker Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: 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) leicht schwer sehr schwer 3 Familien

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

30 T.Hebbeker CMS-Detektor am LHC

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

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

33 T.Hebbeker Astronomen und Teilchenphysiker... damals...

34 T.Hebbeker Astronomen und Teilchenphysiker... heute...

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

36 T.Hebbeker Astronomen und Teilchenphysiker Kein Zweifel, lieber Kollege –wir haben den Sinn des Universums berechnet !

37 T.Hebbeker Prozesse im frühen Universum Kerne Atome heute Teilchenphysik

38 T.Hebbeker Bildung von Atomen Kerne t = J. T = 3000 K E = 0.3 eV He-Kern + 2 e He-AtomH-Kern + e H-Atom Licht kann sich ungehindert ausbreiten, Universum wird durchsichtig! Hintergrundstrahlung! 1 V + -

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

40 T.Hebbeker Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: Wasserstoff Helium Am Ende des Sternenlebens: Wir bestehen aus Sternenasche ! 75 % 25 %

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

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

43 T.Hebbeker 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 T.Hebbeker Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

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

46 T.Hebbeker Neutrino-Oszillations-Experimente Sonnen- Neutrinos Reaktorneutrinos Beschleunigerexperimente

47 T.Hebbeker Super-Kamiokande Japan

48 T.Hebbeker 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 Neutrino-Eigenschaften Neutrino-Oszillationen in mehreren Experimenten nachgewiesen! R. Davis, M. Koshiba (Elektron: )

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

50 T.Hebbeker ANHANG

51 T.Hebbeker Doppler-Effekt (Akustik) Ruhende Quelle Bewegte Quelle

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

53 T.Hebbeker Neutrino-Physik in Aachen Gargamelle- Blasenkammer 1973


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