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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

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

11 IV. GUT - Ära t = s s, E 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 GeV 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 = GeV) zerfallen bei T = K in Quarks und Leptonen

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

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

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

19 Horizontproblem Teilchen aus A und B jeweils 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 = s s, Beginn der Ära bei T K, E 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 = s, T = K, E = 100GeV elektroschwache Kraft spaltet auf (erneut spontane Symmetriebrechung) W-, Z-Bosonen, Quarks, Leptonen erhalten Masse 4 Kräfte Entkopplung der Kräfte abgeschlossen

25

26 VI. Hadronen - Ära t = s s, T 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 < K mittlere Energie der Neutrinos zu klein um n zu erzeugen Abnahme von n/p

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

29 VII. Leptonen - Ära t = s - 1s, T 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 = 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 s, E = keV 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 = a, 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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