Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik Kosmologie: Überblick Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Die Ursuppe Die Entstehung der Masse Michael Kobel TU Dresden Teilchenwelt Schülerworkshop CERN 17.6.2011 Der Zugang zu für die menschlichen Sinne nicht fassbaren Vorgängen wie dem Urknall oder der Quantenphysik kann insbesondere in der Schule durch Analogien mit erfahrbaren Phänomenen erfolgen. Der Vortrag versucht, mit Methoden und Begrifflichkeiten der Akustik und der Musik einige der grundlegenden Phänomene der Kosmologie und Teilchenphysik zu veranschaulichen: Das Musikinstrument Universum mit einem Grundton von 0,04 pHz verrät in den Obertönen der kosmischen Hintergrundstrahlung seine materielle Zusammensetzung, die Oszillationen der Neutrinos entstehen beim Stimmen ihres Flavor-Orchesters als Schwebungsfrequenz von bis zu 4 PHz, und der Large Hadron Collider am CERN versucht, auf einem Instrument einen Ton zu erzeugen, von dem man noch gar nicht weiß, ob es überhaupt existiert: dem Higgs-Feld.   

Strukturbildung im Universum MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/ t = 4,7 Mrd. Jahre 150 Mio Lichtjahre t = 0,2 Mrd. Jahre 20 Mio Lichtjahre “erste Sterne” t = 1,0 Mrd. Jahre 50 Mio Lichtjahre t = heute 300 Mio Lichtjahre “erste Galaxien”

Ursprung der Dichteunterschiede Postulat: Nachhall der Quanten- fluktuationen des Urknalls, „eingefroren“ durch Inflation (überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives „Aufsammeln“ der Umgebung Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund Wo schon viel ist, lander noch mehr

Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall: „Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 0,9 : 0,05 : 1 : 2.000.000.000 Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung Temperatur T > 6000 K  Ionisation von H-Atomen durch Photonen 380.000 Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Strahlung breitet sich ungehindert aus u.a,.Materie-Antimaterie Vernichtung in Photonen

Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre… (13. 700. 000 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre… (13.700.000.000 Jahre  80 Jahre) Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Das Universum ist 80. „Hat“ seit 5 Stunden Homo Sapiens Schulanfang mit 6 Jahren

Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec C: 12 Monate B: 8 min D: 100,000 Jahre D: 100.000 Jahre

Analogie: Die Sonne Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig Innen: T > 10.000.000 K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberfläche Oberfläche (Photosphäre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung 1999 BOOMERanG

Temperaturschwankungen Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 oC) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit) COBE

Mikrowellen als Babyfoto Cobe 1994 WMAP 2003

Nach Abzug unserer Milchstraße entspricht Dicke eines Haares auf 2,73m Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete genau wie bei Schall  Klang des Universums

Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

Akustische Analogie II: Musikinstrumente 1. Versuch: Gummiseile 2.Versuch; Rubenssches Flammrohr

Die Obertöne des Kosmischen Klangs Das Ohr hört an Obertönen: Art des Instruments geübtes Ohr: Bauweise Astrophysiker erkennen an den Obertönen: „Form“ des Universums Zusammensetzung 3. Versuch: Chladni Figuren

Vergleich der Akustischen Wellen Luft Frühes Universum Verhält. Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung + Gravitation (!) Dichte 3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3 (bei 380.000 Jahren) 10-17 Zustandsgleichung pVk = const. p ~ rk p = ⅓c2r Geschwindigkeit v = Ökp/r = 340 m/s v= c/Ö 3 =1,7x108 m/s 500.000 Wellenlänge 20 mm – 20 m 20.000 – 400.000 Lj 1020 - 1022 4.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo 6.Versuch: Pfeife mit Helium 7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen Frequenz 17.000 – 17 Hz 10-12 – 0,4x10-13 Hz 10-14-10-16 www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit05/unit5.html Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !

Schallwellen vermessen Geometrie Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge  Tonhöhe ( Saiten,  Pfeifen) Form  Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 ) a e i o u 4.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo 6.Versuch: Pfeife mit Helium 7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen Universum: Kenne v und f  bestimme l (Maßstab)

Geometrie der Raumkrümmung erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / Mflach negativ gekrümmt W < 1 flach W = 1 positiv gekrümmt W > 1 allgemeine Relativitäts- theorie 8. Versuch: Trommel und 2 Kugeln 9. Versuch: großer Ball, Becherglas mit Blatt Papier

Geometrie = „Form“ des Universums W > 1 W = 1 W < 1 bekannter Maßstab l 13,7 Mrd. Lichtjahre - neg. gekrümmt - flach - pos. gekrümmt W = 1,005 +- 0,006

Das Universum als Spiegelsaal? Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich! einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung) 3D Visualisierung als Spiegelsaal

Möglicher Nachweis: “circles-in-the sky” Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle  gleiche Muster gegenüber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) ) konsistent mit Muster des kosmischem Mikrowellen Hintergrunds (CMB) Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009 http://www.spektrum.de/artikel/974631 Beste Anpassung an CMB Daten: (Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008) http://arxiv.org/abs/0708.1420 Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre (große Unsicherheiten!)

Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie W atomare Materie (p,n,e): WB Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,… -- dämpft den ersten „Oberton“ -- verstärkt den zweiten „Oberton“ nichtatomare „dunkle“ Materie (n, …): WDM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten „Oberton“ „dunkle“ Energie: WV „kosmologische Konstante“ „Vakuumenergie“ unverdünnbar W = WB + WDM + WV = 1

Ergebnis 5% atomare Materie (WB =0,05) 22% nichtatom. Materie (WDM =0,22) Summe: W=1,00  73% „dunkle Energie“ (WV =0,73) !

Unabhängige Bestätigungen: Supernovae und Galaxiencluster =WV = WB + WDM

Zwischenbilanz Nur 27% des Universums ist Materie Wm = WB + WDM = 0,27 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie möglicherweise uns völlig unbekannt 73% ist keine Materie, sondern „dunkle Energie“ und treibt das Universum auseinander Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstraße ist Mittelpunkt des Kosmos Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine „Randerscheinung“ (~ 5%) Die „dunkle Energie“ bestimmt die Zukunft

Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“? 1930: theoretische Einführung (Pauli) 1956: experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) Neutrinos: “Singles“ des Universums schwach wechselwirkend: 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: 366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3  wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

Der „Überlichtknall“ der Neutrinos (Super)Kamiokande 50,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m Æ 11146 Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan ne nµ nt d u e- m- t-u u d W- n p Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung http://neutrinopendel.tu-dresden.de/animation.html (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) n3 = ( - nm + nt)/Ö2 n2 = (-ne + nm + nt)/Ö3 n1 = (2ne + nm + nt)/Ö6 - + + - + + + + f 46/min 43/min 42/min P3 P1 P2

Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte („flavor“) ne nµ nt ist Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch. Massen Summe von Tönen mit leicht verschiedenen Frequenzen Regelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung) Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied Df Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen Massen Regelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig von Dm2 10. Versuch: Neutrinopendel 11.Versuch Schwebungen

Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung Akustik Neutrinos Schallwelle Kreisbewegung der „Phase“ Töne (feste Frequenz) Massezustände ( feste Phasenfrequenz) Klang= Überlagerung der Töne Flavorzustand = QM-Mischung der Massenzustände Lautstärke Schallamplitude2 QM-Nachweiswahrscheinlichkeit |Wellenfunktion|2 Schwebungsfrequenz Df der Töne Flavor-Oszillation der Neutrinos Dm2 der Massezustände Größenordnung: ~Hz 0,1 – 10 kHz (Beobachter) 0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)

Beispiele von Messungen Sonnenneutrinos: weniger ne wegen Oszillation ne  nµ, t Atmosphärische Neutrinos: weniger nµ wegen Oszillation nµ  nt CNGS Strahl: Erscheinen von nt wegen Oszillation nµ  nt Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden n1 n2 n3 Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m2 messbar!) Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < Wn< 3% erklärt nur kleinen Teil der „dunklen“ Materie 1 2 3 Animation: Ch. Weinheimer

Andere Kandidaten für Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN

Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie Sonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!) Die „Ursuppe“: Nachstellen im Teilchenensemble ALICE: Pb+Pb  Quark-Gluon „Plasma“? Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner Teilchen ATLAS, CMS, LHCb: p+p  b, t, W, Higgs? SUSY? Theorien LHC (p+p) LHC Pb+Pb gemessene Einzelprozesse (2008)

ALICE kocht die Ursuppe Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen Eis schmilzt bei 0 oC @ 270 K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K Beschleunige und Kollidiere „Hadronen“-Eis, um „Quark-Gluon“-Wasser herzustellen (erreiche > 200.000 fache Sonneninnentemperatur) ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen (Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…)  ideale Flüssigkeit?

Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ 10-10 sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein „Higgs“ Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? „Sandkorn .vs. Ozeandampfer“? 3x105 2x1013 ?

Die Bedeutung der Teilchenmassen Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien Bindungsenergie steigt mit me Atomdurchmesser fällt mit 1 / me Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): md - mu , md - me 35

Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Kern- und Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte ABER:riesigen Effekt auf Mat.eigenschaften Erniedrige me auf 0.025 MeV/c2 Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan? Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, g, n) p n W- e- ne

Animation: Was wäre wenn… Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn Download: www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen/ Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) http://arxiv.org/abs/0712.2968v1 Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)

Zusammenfassung Die „Kosmische Symphonie“ der Mikrowellenhintergrund Obertöne ergeben Form und Zusammensetzung des Universums Das Universum ist im Mittel flach Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet ca. 5% der Gesamtenergie des Universums Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der 22% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall Es gibt Ideen, was der Rest ist ( LHC Experimente 2010-…?) Der Ursprung der Masse wird sicher am LHC geklärt werden (Higgs?) 73% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Akustik sind eng verknüpft

Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten) Dieser Talk auf: http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach) Harald Lesch / Jörn Müller Kosmologie für Helle Köpfe (Goldmann Taschenbuch, 2006) Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies http://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html (mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004) Kosmologie und Teilchenphysik generell www.weltderphysik.de  Das Weltall, Welt des Allerkleinsten www.teilchenphysik.de Physik am LHC www.weltmaschine.de www.weltderphysik.de/de/351.php Teilchenphysik für die Schule www.teilchenwelt.de www.physicsmasterclasses.org (nächste Veranstaltungen: März 2012)