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Hauptseminar WS 2005/2006 Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung Die ersten 3 Minuten - Elementenstehung im Urknall B. Keilhauer 09.11.2005.

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1 Hauptseminar WS 2005/2006 Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung Die ersten 3 Minuten - Elementenstehung im Urknall B. Keilhauer 09.11.2005

2 Schema des Urknalls Bestätigungen für die Urknall-Theorie: Rotverschiebung der Galaxien Kosmische Hintergrundstrahlung Häufigkeit der leichten Elemente

3 Vereinheitlichung der Wechselwirkungen Zeit seit Urknall, Größe des Universums Energie, Temperatur, Historische Physik-Geschichte

4 Urknall-Modell Universum entstand aus einer Singlarität bis 10 -43 s Planck-Ära erst nach der Planck-Ära können die Ereignisse physikalisch beschrieben werden für Zeiten < 10 -43 s ist eine quantenmechanische Theorie der Gravitation erforderlich T 10 32 K einheitliche Beschreibung aller 4 Grundkräfte (Gravitation, starke, schwache und elektromagnetische Kraft) oft Theory of Everything (TOE) genannt

5 Planck-Skala Ansatz: Schwarzschild-Radius = Compton-Wellenlänge = Quanten-Effekte = Gravitations-Effekte g GeV m s Strahlungs-dominierte Phase: GeV 4 fm GeV/fm 3 g/cm 3

6 10 -43 - 10 -36 s: Ära der Großen Vereinheitlichung Gravitation kristallisiert aus die verbleibenden drei Grundkräfte (starke, schwache und elektromagnetische) können in der GUT (Grand Unified Theory) beschrieben werden oft als X -Kraft bezeichnet GUT-Skala 10 16 GeV und 10 -39 s T > 10 27 K allgemein Beschreibung über Quantenfeldtheorien einfachste GUT ist Produkt der einzelnen Symmetriegruppen = SU(5) = U(1) x SU(2) x SU(3) 24 Eichbosonen (8 g, 1 γ, 2 W -, 1 Z -, 6 X -, 6 Y -Bosonen) EINE Alternative: SO(10)-Gruppe mit SU(5) als Untergruppe die Kopplungskonstanten der drei Grundkräfte müssen bei GUT-Scala übereinstimmen alle GUT-Modelle so erweiterbar, dass sie SUSY (Supersymmetrie) enthalten

7 strong WW weak WW em WW

8 Ende der GUT-Ära Inflation beginnt X - und Y -Bosonen zerfallen Baryogenese Quarks, Leptonen und deren Anti-Teilchen entstehen Teilchen und Anti-Teilchen zerstrahlen hochenergetische Photonen entstehen

9 Baryon-Anti-Baryon-Asymmetrie netto Baryonanzahl in einem Volumen: heute: aus Thermodynamischen Überlegungen folgt: und mit genauen Modellen der Urknall-Nukleosynthese folgt: d.h.: auf 1 Mrd. Anti-Quarks kamen 1 Mrd. und 3 Quarks

10 unterhalb GUT-Skala Phasen-Übergang im Higgs-Feld, T < 10 27 K Vakuum-Erwartungswert des Higgs-Feld nimmt einen Wert > 0 an, spontane Symmetrie-Brechung für Vakuum-Erwartungswert = 0: alle Teilchen masselos danach: X - und Y -Bosonen massive Teilchen in der Größenordnung der GUT-Skala Symmetrie-Brechung der X -Kraft, elektroschwache und starke WW separieren Inflation = Periode mit beschleunigter Expansion 10 -36 - 10 -33 s: Inflation

11 X- und Y-Bosonen sind Leptoquarks = gebundene Zustände aus Leptonen und Quarks beim Zerfall der X - und Y -Bosonen ist Baryonen- als auch Leptonenzahl nicht erhalten: lieferten möglicherweise Grundlage für heutige Baryon-Dominanz je 3 Bosonen und 3 Anti-Bosonen sind elektrisch-, schwach- und farbgeladen

12 Inflation Friedmann-Gleichung: mit und Dichte-Term >> Term mit Krümmungsparameter Lösung für : exponentielle Zunahme des Skalenfaktors R Faktor e 100 10 50

13 10 -33 - 10 -5 s: Quark-Ära freie Quarks dominieren bei T > 10 12 K oder 200 MeV Universum ist erfüllt mit Quark-Gluon-Plasma daneben existieren freie Leptonen bei 10 -11 s oder 100 GeV Elektroschwache Skala erneut Phasen-Übergang mit spontaner Symmetriebrechung das elektroschwache Higgs-Feld nimmt eine Vakuum-Erwartungswert > 0 an W - und Z -Bosonen, sowie Quarks und Leptonen erhalten Masse

14 Wechsel- wirkungBoson Masse (GeV/c²) Reich- weite (m)"Ladung" elektr. Ladung Spin- Parität Kopplungs- konstante dimensionslose Kopplungs- konstante elektro- magnetische γ (Gamma) 0elektrische01-1- - α = e² / 4πħc = 1/137 schwache Z°91.17310 -18 schwache01+1+ G F (Fermi) (Mc/ħ)²G/ħc = 1,02 x 10 -5 W±W± 80.2210 -18 schwache ± 11-1- G F (Fermi) (Mc/ħ)²G/ħc = 1,02 x 10-5 starke 8 g (Gluonen) 0 10 -15 Farbe01-1- - α s ~ 1, r groß α s < 1, r klein Gravitation G (Graviton) 0Masse02+2+ K (Newton) KM² / ħc = 0,53 x 10 -38 Bosonen

15 Fermionen Leptonen Quarks Teilchen Masse (GeV/c 2 ) Elektr. LadungTeilchen Masse (GeV/c 2 ) Elektr. LadungFarbe ν e (Elektron-Neutrino)< 2 x 10 -9 0 U (up)0.004 2/3r,g,b e - (Elektron)0.000511 D (down)0.0075- 1/3r,g,b ν μ (Myon-Neutrino)< 0,00020 C (charm)1.23 2/3r,g,b μ - (Myon)0.106 S (strange)0.15- 1/3r,g,b ν τ (Tau-Neutrino)< 0,020 T (top)175 2/3r,g,b τ - (Tau)2 B (bottom)4.2- 1/3r,g,b

16 10 -5 - 10 -4 s: Hadronisierung bei 200 MeV QCD Skala die effektive Kopplungsstärke der starken WW wird sehr groß Quark-Confinement Quarks existieren nicht mehr separat, sondern bilden farb-neutrale Hadronen The quarks of a proton are free to move within the proton volume. If you try to pull one of the quarks out, the energy required is on the order of 1 GeV per fermi. The energy required to produce a separation far exceeds the pair production energy of a quark- antiquark pair, so instead of pulling out an isolated quark, you produce mesons as the produced quark- antiquark pairs combine.

17 Protonen und Neutronen wandeln sich permanent ineinander um: geht nur solange T > Δm = m n - m p 1,3 MeV ist effektive T f 0,7 MeV Neutrinos entkoppeln wenn die Mittlere Freie Weglänge bzgl. der schwachen WW zu groß wird Freeze-Out von bei 3,5 MeV und von bei 2,3 MeV bei t = 1 s ist T 10 10 K Baryon-Photon-Verhältnis 10 -4 - 1 s: Lepton-Ära

18 zeitliche Entwicklung des Proton-Neutron-Verhältnisses zum Zeitpunkt des Freeze-Out bei 0,7 MeV gilt: Neutronen zerfallen bis Deuterium Produktion einsetzt bei T 0,085 MeV oder t 180 s Mittlere Lebensdauer der Neutronen s

19 Primordiale Nukleosynthese 1 s - 180 s zunächst bilden sich nur leichte Atomkerne Temperatur ist zu hoch als dass Elektronen mit den Nukleonen neutrale Atome bilden leichtester Atomkern = Wasserstoffkern = Proton Bildung von Deuteron d = Atomkern von Deuterium D = schwerer Wasserstoff Konkurrenzprozess: Aufspaltung von d aufgrund hochenergetischer Photonen T < Bindungsenergie des Deuterons E D = 2,22 MeV, doch Maxwell-Verteilung und großer Überschuss von γ ( ) bewirken Gleichgewicht

20 Primordiale Nukleosynthese 180 s - 1000 s T < 80 - 90 keV effektive Deuteron-Bildung: anschließende Reaktionen mit Deuteron, Tritium und Helium:

21 Primordiale Nukleosynthese 180 s - 1000 s somit 99,99 % der Neutronen in 4 He gebunden relative Häufigkeit von 4 He: weitere Reaktionen sind: allerdings Lithium-Kerne durch stark exotherme Reaktion sofort wieder zersört MeV

22 Elementhäufigkeit

23 Materie-Strahlung Gleichheit Gleichgewicht zwischen Energiedichte der Strahlung und der Materie Strahlung: relativistische Teilchen = Photonen und Neutrinos Materie: nicht-relativistische Teilchen = Kerne und Elektronen Verhältnis heute: CMB Photonen: + Neutrinos gesamte Strahlung: aus Lösung der Friedmann-Gl.:, d.h. Gleichheit, als R 3600mal kleiner war: mit a genauere Rechnung mit Berücksichtigung von folgt a

24 Rekombination Kerne und Elektronen bilden neutrale Atome wenn T noch zu hoch sofortige Dissoziation Bindungsenergie von neutralem Wasserstoff = 13.6 eV tatsächliche Rekombinationstemperatur T rec 0,3 eV 3500 K Zeitpunkt der Rekombination t rec : a 300 000 a

25 Entkopplung der Photonen freie Weglänge der Photonen so groß, dass quasi keine Kollision mit Materie mehr stattfindet Universum expandiert, Materie besteht aus neutralen Atomen freie Weglänge > Horizontabstand Entkopplungstemperatur T dec 0,26 eV 3000 K Rotverschiebung: Zeitpunkt der Entkopplung t dec : 380 000 a

26 Zusammenfassung T (GeV) 10 19 10 16 10 2 10 0 10 -3 10 -4 10 -9 t 10 -43 s10 -39 s10 -11 s10 -5 s1s3min380 000a Quanten-Gravitation Planck-Zeit SU(5) GUT, Inflation SU(3)x SU(2)x U(1) Elektroschwach Quark-Lepton- Plasma Quark-Confinement Hadronen Leptonen Neutrino-Entkopplung Kern- Synthese Kerne entstehen Photonen- Epoche Photon- Entkopplung Galaxien, Sterne


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