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Veröffentlicht von:Clarimond Weiss Geändert vor über 10 Jahren
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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
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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
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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
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I. Energie- und Zeitskalen
Hubble-Parameter kritische Dichte Energiedichte (Strahlung) (Materie)
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Temperatur Zeit (Strahlung) (Materie) (Strahlung) (Materie)
Energie – Temperatur :
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II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum
Energie im frühen Universum hauptsächlich durch Strahlung bereitgestellt (strahlungsdominiert) nach tc = 66000a Übergang mit Materie kühlt langsamer ab ("mc2")
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Strahlung und Materie nie im thermischen Gleichgewicht
materiedominiert strahlungsdominiert
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III. Planck - Ära Planck – Skala : Compton-Wellenlänge =
Schwarzschild-Radius = Compton-Wellenlänge = Quanteneffekte = Gravitationseffekte
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tP < 10-43s , lP = 10-35m , EP = 1019GeV hohe Dichte (1094 g cm-3) und Temperatur eine Urkraft Grenzen physikalischer Gesetze (Quantengravitation)
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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)
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IV.1. Supersymmetrie (Susy)
Einführung neuer Teilchen (Susypartner) Teilchenmassen GeV Bisher noch kein Teilchen gefunden Vereinheitlichung der Kräfte
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Vereinheitlichung der Kräfte
em schwache starke
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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
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X- und Y-Bosonen (mX = 1015GeV) zerfallen bei T = 1029K in Quarks und Leptonen
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auf 100000000 Antiteilchen kommen 100000000 + 1 Teilchen
auf 1 Teilchen kommen 1Milliarde Photonen (Baryonen-Photonen-Verhältnis)
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IV.3. Abspaltung der starken WW
t = 10-36s , T = 1027K Beschleunigte Expansion inflationäres Universum Exponentielle Zunahme
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Ausdehnung um Faktor 1050 (Überlicht)
Inflation löst verschiedene Probleme der Urknalltheorie: Horizontproblem Flachheitsproblem magnetischen Monopole
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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
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Flachheitsproblem > 1 : "Big Crunch" < 1 : keine Sterne und Galaxien (Expansion) Messungen : Wahrscheinlichkeit dass :
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magnetische Monopole Maxwell-Gleichungen Dirac : da elektr. Ladung quantisiert, muss es magnetische Monopole geben bisher noch nicht entdeckt Monopole durch Inflation ausgedünnt
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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
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V.1. Thermisches Gleichgewicht
alle Elementarteilchen im thermischen Gleichgewicht: Prozesse laufen gleichhäufig ab (Produktion) (Annihilation)
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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
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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
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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
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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")
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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
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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"
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VII.2. Reheating Abschätzung der Erwärmung: Entropieerhaltung
Freiheitsgrad nPauli = 7/8 für Fermionen, 1 für Bosonen
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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):
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Bildung von Deuteronen, aber auch Konkurrenzprozess (hochenergetische Photonen)
Neutronenzerfall
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VIII.1. Bildung von leichten Kernen
99% der Neutronen sind in 4He gebunden.
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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
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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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IX. Entkopplung der Photonen (CMB)
t = a , T = 105K , E = 13,6eV e- und Photonen nicht mehr im thermischen Gleichgewicht neutrale Elemente
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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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