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1 TexPoint fonts used in EMF. Read the TexPoint manual before you delete this box.: AAAA A A AA A A Die ersten 3 Minuten – Elemententstehung im Urknall Hauptseminar Astroteilchenphysik – Kosmische Strahlung Philipp Burger

2 Inhalt I. Energie- Zeitskalen II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum III.Planck – Ära IV.GUT – Ära IV.1. Supersymmetrie IV.2. Baryogenese IV.3. Abspaltung der starken WW V.Quark – Ära V.1. Thermisches Gleichgewicht V.2. elektroschwacher Phasenübergang

3 VI.Hadronen – Ära VI.1.Bildung von Hadronen VI.2.Entkopplung der Neutrinos (Freeze Out) VII.Leptonen – Ära VII.1. Elektron – Positron – Annihilation VII.2. Reheating VIII.Nukleosynthese VIII.1. Bildung von leichten Kernen VIII.2. Andere Kerne VIII.3. Massenverhältnisse IX. Entkopplung der Photonen

4

5 I. Energie- und Zeitskalen Hubble-Parameter kritische Dichte Energiedichte (Strahlung) (Materie)

6 Temperatur Zeit (Strahlung) (Materie) Temperatur – Zeit : Energie – Temperatur : (Materie) (Strahlung)

7 II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum Energie im frühen Universum hauptsächlich durch Strahlung bereitgestellt (strahlungsdominiert) nach t c = 66000a Übergang mit Materie kühlt langsamer ab ("mc 2 ")

8 Strahlung und Materie nie im thermischen Gleichgewicht strahlungsdominiert materiedominiert

9 III. Planck - Ära Planck – Skala : Schwarzschild-Radius = Compton-Wellenlänge = Quanteneffekte = Gravitationseffekte

10 t P < 10 -43 s, l P = 10 -35 m, E P = 10 19 GeV hohe Dichte (10 94 g cm -3 ) und Temperatur eine Urkraft Grenzen physikalischer Gesetze (Quantengravitation)

11 IV. GUT - Ära t = 10 -43 s - 10 -36 s, E 10 16 GeV Gravitation spaltet sich als Kraft ab (spontane Symmetriebrechung) restlichen 3 Kräfte in GUT vereint (X-Kraft) (Grand Unified Theory) Supersymmetrie (Susy) Baryonenasymmetrie (Baryogenese)

12 IV.1. Supersymmetrie (Susy) Einführung neuer Teilchen (Susypartner) Teilchenmassen 100 - 2000GeV Bisher noch kein Teilchen gefunden Vereinheitlichung der Kräfte

13 Vereinheitlichung der Kräfte em schwache starke

14 IV.2. Baryogenese Sacharowbedingungen: -1.Baryonenzahl muss verletzt sein -2.C- und CP-Verletzung -3.Thermodynamisches Ungleichgewicht unterschiedliche Wirkung der GUT-Kraft auf Teilchen bzw Antiteilchen

15 X- und Y-Bosonen (m X = 10 15 GeV) zerfallen bei T = 10 29 K in Quarks und Leptonen

16 auf 100000000 Antiteilchen kommen 100000000 + 1 Teilchen auf 1 Teilchen kommen 1Milliarde Photonen (Baryonen-Photonen-Verhältnis)

17 IV.3. Abspaltung der starken WW t = 10 -36 s, T = 10 27 K Beschleunigte Expansion inflationäres Universum Exponentielle Zunahme

18 Ausdehnung um Faktor 10 50 (Überlicht) Inflation löst verschiedene Probleme der Urknalltheorie: -Horizontproblem -Flachheitsproblem -magnetischen Monopole

19 Horizontproblem Teilchen aus A und B jeweils 10 10 a unterwegs A und B haben gleiche Temperatur ohne Inflation wären A und B nie im kausalen Kontakt gewesen

20 Flachheitsproblem > 1 : "Big Crunch" < 1 : keine Sterne und Galaxien (Expansion) Messungen : Wahrscheinlichkeit dass :

21 magnetische Monopole Maxwell-Gleichungen Dirac : da elektr. Ladung quantisiert, muss es magnetische Monopole geben bisher noch nicht entdeckt Monopole durch Inflation ausgedünnt

22 V. Quark - Ära t = 10 -33 s - 10 -5 s, Beginn der Ära bei T 10 25 K, E 10 12 GeV Quark - Gluon - Plasma einzelne Quarks und Antiquarks keine X-Bosonen mehr noch keine Hadronen

23 V.1. Thermisches Gleichgewicht alle Elementarteilchen im thermischen Gleichgewicht: Prozesse laufen gleichhäufig ab (Produktion) (Annihilation)

24 V.2. Elektroschwacher Phasenübergang t = 10 -11 s, T = 10 16 K, E = 100GeV elektroschwache Kraft spaltet auf (erneut spontane Symmetriebrechung) W-, Z-Bosonen, Quarks, Leptonen erhalten Masse 4 Kräfte Entkopplung der Kräfte abgeschlossen

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26 VI. Hadronen - Ära t = 10 -5 s - 10 -4 s, T 10 13 K, E 100MeV VI.1. Bildung von Hadronen ungefähr gleich viel p wie n n und p wandeln sich ineinander um

27 durch Umwandlung entstehen viele Neutrinos p und n im thermischen Gleichgewicht bis etwa T < 10 10 K mittlere Energie der Neutrinos zu klein um n zu erzeugen Abnahme von n/p

28 VI.2. Entkopplung der Neutrinos t = 50ms, T = 4 10 10 K, E = 4MeV Wechselwirkungsrate Neutrinos nehmen nicht mehr an WW teil ("Freeze out") (mittlere freie Weglänge) < Expansion

29 VII. Leptonen - Ära t = 10 -4 s - 1s, T 10 12 K weitere Abkühlung Energie reicht nur noch aus um e + e - Paare zu erzeugen (Paarerzeugung) Elektron und Positron sind dominante Teilchensorten

30 VII.1. Elektron - Positron - Annihilation t = 1s, T = 10 10 K, E = 1MeV Energie reicht nicht mehr aus um e + e - Paare zu erzeugen (m e = 511keV) nicht mehr möglich möglich Annihilation der e + e - - Paare "Reheating"

31 VII.2. Reheating Abschätzung der Erwärmung: -Entropieerhaltung -Freiheitsgrad -n Pauli = 7/8 für Fermionen, 1 für Bosonen -

32 VIII. Nukleosynthese t = 1s - 180s, T 10 9 K, E 100keV weitere Abkühlung p und n nicht mehr relativistisch Teilchendichte der n und p: Verhältnis von n und p (t = 1,5s):

33 Bildung von Deuteronen, aber auch Konkurrenzprozess (hochenergetische Photonen) Neutronenzerfall

34 VIII.1. Bildung von leichten Kernen 99% der Neutronen sind in 4 He gebunden.

35 VIII.2. Andere Kerne t = 180s - 1000s, E = 80 - 90keV effektive Deuteron - Bildung (auch Tritium) keine stabilen Kerne mit A = 5 oder 8 in seltenen Fällen Bildung von 7 Li und 7 Be

36 VIII.3. Massenverhältnisse fast alle n enden in 4 He 25% der Masse des Universum ist 4 He 75% sind p 3 He und 7 Li sind in Spuren vorhanden schwere Elemente bis Eisen erst später (Spallation, Kernreaktionen in Sternen)

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38 IX. Entkopplung der Photonen (CMB) t = 300000a, T = 10 5 K, E = 13,6eV e - und Photonen nicht mehr im thermischen Gleichgewicht neutrale Elemente

39 Literatur C. Grupen - Astroparticle Physics (Springer Verlag 2005) Matts Roos - Introduction to Cosmology (Wiley 2003) de Boer - Skript "Einführung in die Kosmologie" Internet


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