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Hauptseminar Astroteilchenphysik – Kosmische Strahlung

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Präsentation zum Thema: "Hauptseminar Astroteilchenphysik – Kosmische Strahlung"—  Präsentation transkript:

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

2 Inhalt I. Energie- Zeitskalen
II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum III. Planck – Ära 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 Hadronen – Ära VI.1. Bildung von Hadronen VI.2. Entkopplung der Neutrinos (Freeze Out) Leptonen – Ära VII.1. Elektron – Positron – Annihilation VII.2. Reheating 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) (Strahlung) (Materie)
Energie – Temperatur :

7 II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum
Energie im frühen Universum hauptsächlich durch Strahlung bereitgestellt (strahlungsdominiert) nach tc = 66000a Übergang mit Materie kühlt langsamer ab ("mc2")

8 Strahlung und Materie nie im thermischen Gleichgewicht
materiedominiert strahlungsdominiert

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

10 tP < 10-43s , lP = 10-35m , EP = 1019GeV hohe Dichte (1094 g cm-3) und Temperatur eine Urkraft Grenzen physikalischer Gesetze (Quantengravitation)

11 IV. GUT - Ära t = 10-43s - 10-36s, E ≈ 1016GeV
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 (mX = 1015GeV) zerfallen bei T = 1029K 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 = 10-36s , T = 1027K Beschleunigte Expansion inflationäres Universum Exponentielle Zunahme

18 Ausdehnung um Faktor 1050 (Überlicht)
Inflation löst verschiedene Probleme der Urknalltheorie: Horizontproblem Flachheitsproblem magnetischen Monopole

19 Horizontproblem Teilchen aus A und B jeweils 1010a 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 = 10-33s s , Beginn der Ära bei T ≈ 1025K , E ≈ 1012GeV 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 = 10-11s , T = 1016K , 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 VI.1. Bildung von Hadronen
t = 10-5s s , T ≈ 1013K , 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 < 1010K 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 < Expansion (mittlere freie Weglänge) Neutrinos nehmen nicht mehr an WW teil ("Freeze out")

29 VII. Leptonen - Ära t = 10-4s - 1s , T ≈ 1012K 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 = 1010K , E = 1MeV Energie reicht nicht mehr aus um e+e- Paare zu erzeugen (me = 511keV) nicht mehr möglich möglich Annihilation der e+e- - Paare "Reheating"

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

32 VIII. Nukleosynthese t = 1s - 180s , T ≈ 109K , 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 4He 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 7Li und 7Be

36 VIII.3. Massenverhältnisse
fast alle n enden in 4He 25% der Masse des Universum ist 4He 75% sind p 3He und 7Li 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 = 105K , 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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