Von der Planck Masse zur Dunklen Energie C. Wetterich

Woher kommen Längen und Massen ?

Ωm + X = 1 Ωm : 25% Ωh : 75% Dunkle Energie ?

Messung , Beobachtung : nur dimensionslose Größen ! Aber : mElektron = 511 keV : gemessen! Was ist eV? 1 eV = Grundzustands-Energie des Wasserstoffatoms/13.6 Messung: Verhältnis der Grundzustands-Energie des Wasserstoffs zu Elektronenmasse.

Standard – Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum-Erwartungswert eines Skalarfelds φ ( Higgs Skalar ) Für Elektron , Quarks , W- und Z- Bosonen gilt mElektron = hElektron * φ etc.

Skalar - Feld φ(x,y,z,t) ähnlich elektrischem Feld , aber keine Richtung : daher Erwartungswert möglich, ohne Isotropie zu verletzen

Spontane Symmetrie - Brechung SSB <φ>=φ0 ≠ 0 SYM <φ>=0 Higgs – Potenzial in SM

Massen und Kopplungskonstanten werden bestimmt durch die Eigenschaften des Vakuums ! ähnlich Maxwell – Gleichungen in Materie

LHC

Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte ? Ja !

Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel: Magnete Niedrige T SSB <φ>=φ0 ≠ 0 Hohe T SYM <φ>=0

Im heissen Plasma des frühen Universums : Keine unterschiedlichen Massen für Elektron und Myon ! Ähnliche Stärke der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung

Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab ! Nicht ein für alle mal gegeben !

Das Rätsel der winzigen Zahlen 7

Massenskalen in der Elementarteilchenphysik Protonmasse ( Skala der starken Wechselwirkung ) Fermi - Skala der schwachen Wechselwirkung Planck Masse ( Skala der Gravitationswechselwirkung ) ( Newton )

Vereinheitlichung und Dimensionen Vereinheitlichung fixiert dimensionsbehaftete Parameter Spezielle Relativitätstheorie : c ( = 1 ) Quantenmechanik : h ( = 2π ) Vereinheitlichung mit Gravitation ( Quantengravitation) fundamentale Massenskala ( Planck Masse , string tension , …)

Gravitationseinheiten Newton’s Konstante GN=1/(8πM²) Reduzierte Planck Masse M=2.44×1018GeV M=1 : GeV = 4.1×10 -19

Gravitationseinheiten ( reduzierte Planck – Masse = 1 ) mProton = 3.9 x 10 -19 mElektron = 2.1 x 10 -22 Gramm = 2.3 x 10 5 Meter = 1.2 x 10 34 Sekunde = 3.7 x 10 42 Alter des Universums ( 13.7 x 10 9 yr ) = 1.6 x 10 60 Energiedichte des Universums : ρ = 10 -120 Kleine Parameter – grosse Rätsel

Laufende Kopplung : QCD Effektive Eichkopplung hängt von Impulsskala μ ab

QCD : Dimensionale Transmutation Ohne Quark – Massen : nur dimensionslose Kopplung ! Charakteristisches μ , bei dem Kopplung groß wird Massenskala ΛQCD Proton - Masse ~ ΛQCD Für gegebene Kopplung αs (μ=M) = α0 : Kleines α0 , winziges MProton ! MProton = b exp( - c / α0 ) M , c ≈ 0.9

Trick der Natur Quanten - Fluktuationen erzeugen Massen-Skalen durch laufende dimensionslose Kopplungen Dilatations - Anomalie

Hypothese: Quantengravitation - Theorie ohne explizite Massenskala ? 12

Fundamentale Massenskala Fester “Parameter” oder dynamische Skala ? Dynamische Skala Feld

Kosmon und Fundamentale Massen - Skalen Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld χ (GUTs, Superstrings,…) M ~ χ , mproton~ χ , ΛQCD~ χ , MW~ χ χ kann sich mit der Zeit ändern mproton/M : ( fast ) konstant - Beobachtung ! Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar !

Trick für Theorie ohne fundamentale Massenskala: Ersetze alle Massen durch dimensionslose Konstante mal χ

Dilatations – symmetrische Gravitationstheorie Lagrange Dichte: Dilatations - Symmetrie für

Woher kommen die beobachteten Massen – Skalen ? Spontane Symmetriebrechung : χ ≠ 0 Verletzt das Reskalieren der Massen und Längenskalen χ → c χ Goldstone Boson = Dilaton masseloses Teilchen !

Dilatations Anomalie Quanten - Fluktuationen führen zu Laufende Kopplungen : Hypothese Renormierungs-Skala μ : (Impuls-Skala ) λ~(χ/μ) -A

Dilatations Anomalie V~χ4-A , Mplanck(χ )~ χ V/Mp4 ~ χ-A : fällt für wachsendes χ !!

Grundlage für Kosmologie Graviton + Cosmon

Kosmologie Kosmologie : χ wächst mit der Zeit ! ( Grund: Kopplung von χ zum gravitationellen Krümmungs - Skalar ) Für wachsendes χ : Das Verhältnis V/M4 tendiert zu Null ! Effektive kosmologische Konstante verschwindet asymptotisch für große t !

Weyl Reskalierung Keine zusätzliche Konstante ! Weyl Reskalierung : gμν→ (M/χ)2 gμν , φ/M ~ ln (χ 4/V(χ)) Exponentielles Potenzial : V = M4 exp(-α φ/M) Keine zusätzliche Konstante !

Ohne Dilatations – Anomalie : V= const. Masseloses Goldstone Boson = Dilaton Dilatations – Anomalie : V (φ ) = M4 exp(-α φ/M) Winzige zeitabhängige Masse : Cosmon

Kosmologie mit Dunkler Energie 18

Homogenes und isotropes Universum φ(x,t)=φ(t) Homogenes Kosmonfeld Homogener Beitrag zur Energiedichte Dynamische Dunkle Energie !

Kosmologische Gleichungen

Kosmische Attraktorlösung Lösung unabhängig von Anfangsbedingungen typisch V~t -2 φ ~ ln ( t ) Ωh ~ V/ρm ~ const. Details hängen von V(φ) ab Frühe Kosmologie

Quintessenz Dynamische dunkle Energie , vermittelt durch Skalarfeld (Cosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energie-dichte des heutigen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor. C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87

dominiert das Universum ? Welch Dunkle Energie dominiert das Universum ? Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel

Zusammensetzung des Universums Ωb = 0.05 Ωdm= 0.2 Ωh = 0.75

Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M-2=8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ωb=ρb/ρc Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

Materie : Alles , was klumpt

Dunkle Materie Ωm = 0.25 “Materie” insgesamt Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

Gravitationslinse,HST

Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

Gravitationslinse,HST

Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

Räumlich flaches Universum Ωtot = 1 Theorie (Inflationäres Universum ) Ωtot =1.0000……….x Beobachtung ( WMAP ) Ωtot =1.02 (0.02)

Foto des Urknalls

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown Greg Tucker UCLA Ned Wright Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta UBC Mark Halpern Chicago Stephan Meyer Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

Mittelwerte WMAP 2003 Ωtot =1.02 Ωm =0.27 Ωb =0.045 Ωdm =0.225

Ωtot=1

Dunkle Energie Ωm + X = 1 Ωm : 25% Ωh : 75% Dunkle Energie h : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

Dunkle Energie : homogen verteilt

Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

Fluktuations-Spektrum Baryon - Peak Galaxien – Korrelations – Funktion Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuations-Spektrum SDSS

Was ist die dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ? 27

Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M4 = 10-120 Warum gerade heute wichtig?

Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV )- 4 Reduzierte Planck Masse M=2.44×1018GeV Newton’s Konstante GN=(8πM²) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! homogene dunkle Energie: ρh/M4 = 6.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρm/M4= 3.5 10ˉ¹²¹

Kosmische Attraktoren Loesungen werden unabhaengig von Anfangsbedingungen V~t -2 φ ~ ln ( t ) Ωh ~ const. Details haengen von V(φ) oder kinetischem Term ab early cosmology

exponentielles Potential konstanter Anteil an dunkler Energie Ωh = 3/α2 kann die Groessenordnung der dunklen Energie erklaeren !

Realistische Modelle der Dunklen Energie: Quintessenz wird heute wichtig w=p/ρ

Zusammenfassung Ωh = 0.75 Q : mögliche Verknüpfung der Dunken Energie mit zeitlich veränderlicher fundamentaler Massenskala Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Äquivalenzprinzips Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar Q : mögliche Erkärung , warum Dunkle Energie heute wichtig wird ( wachsende Neutrino – Masse )

Zeitabhängige Kopplungen Kopplungen hängen von Wert des Cosmon – Felds φ ab ; φ variiert mit Zeit . Δα/α ≈ 4 10 -4 erlaubt, für z ≈ 10 10

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ? Frühe Dunkle Energie: charakteristisch für Skalenlösung – widerspricht kosmologischer Konstante

Warum jetzt ? Koinzidenz - Problem Was ist verantwortlich für Wachsen von Ωh für z < 6 ? Warum jetzt ?

Neutrinos mit wachsender Masse als Trigger für Übergang zu fast statischer dunkler Energie growing neutrino mass L.Amendola, M.Baldi,…

Effektiver kosmologischer Trigger für Stop der Cosmon -Evolution : Neutrinos werden nicht-relativistisch Dies passierte in jüngster Zeit ! ( z=5) Bestimmt die Grössenordnung der dunklen Energie !

Zusammenhang zwischen jetziger Dunkler Energie - Dichte und Neutrino - Masse jetzige Zustandsgleichung ist gegeben durch Neutrino - Masse !

Ist Zeitentwicklung der Neutrino - Masse beobachtbar ? Obere Grenze aus Kosmologie für frühe Zeit Heutiger Beobachtungswert kann darüber liegen ( KATRIN, neutrino-loser doppelter Betazerfall ) GERDA

Cosmon - Neutrino Kopplung β

Wachsende Neutrino - Masse stoppt Kosmon - Evolution

Hubble Parameter im Vergleich zu ΛCDM

Hubble Parameter ( z < zc ) nur kleiner Unterschied zu ΛCDM !

Ist Zeitentwicklung der Neutrino - Masse beobachtbar ? Obere Grenze aus Kosmologie für frühe Zeit Heutiger Beobachtungswert kann darüber liegen ( KATRIN, neutrino-loser doppelter Betazerfall ) GERDA

Zusammenfassung Wachsende Masse der Neutrinos kann “Stop” der Änderung des Cosmon – Felds bewirken !

Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

Zeitabhängigkeit der dunklen Energie w=p/ρ Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 M.Doran,…

Beobachtung: Grenzen für Ωh G.Robbers,M.Doran,…

Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ωh(z) H(z) Ωh(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Emission oder Nukleosynthese B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”

Quintessenz und Zeitabhängigkeit fundamentaler Konstanten C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988)

Sind fundamentale “Konstanten” zeitabhängig ? Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Neutron-Masse zu Proton-Masse Verhältnis Nukleon-Masse zu Planck-Masse

Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten” Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Kosmon Felds ab: α(φ) ähnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Jordan

Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese A.Coc

Variation der Li- Häufigkeit gegenwärtige Beobachtungen: 1σ He D Li T.Dent, S.Stern,…

drei GUT Modelle Vereinheitlichungs-Skala ~ Planck Masse 1) Alle Massen der Teilchenphysik ~ΛQCD 2) Fermi Skala und Fermion-Massen ~ Vereinheitlichungs-Skala 3) Fermi Skala ändert sich schneller als ΛQCD Δα/α ≈ 4 10-4 erlaubt für GUT 1 und 3 , grösser für GUT 2 Δln(Mn/MP) ≈40 Δα/α ≈ 0.015 erlaubt

Zeitvariation der Kopplungskonstanten ist winzig – wäre aber von grosser Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz

Zusammenfassung Ωh = 0.75 Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar Q : mögliche Erkärung , warum Dunkle Energie heute wichtig wird ( wachsende Neutrino – Masse ) Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Äquivalenzprinzips Q : mögliche Verknüpfung der Dunken Energie mit zeitlich veränderlicher fundamentaler Massenskala

???????????????????????? Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun ? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?

Die Antwort der Künstlerin … Laura Pesce

Ende

Dilatations - Symmetrie Reskalieren der Längenskalen x → c -1 x Sieht die Physik noch genauso aus ? Skalen – invariant = Dilatations – symmetrisch Wichtig für kritische Phänomene in statistischer Physik

Wenn eine feste Massen – oder Längen - Skala eine Rolle spielt : Keine Dilatations – Symmetrie !

Dilatations - Symmetrie Reskalieren der Längenskalen x → c -1 x begleitet von Reskalieren des Skalar - Felds χ → c χ Verschiedene Längeneinheiten entsprechen verschiedenen Werten des Kosmon – Felds χ !

Dilatations – symmetrische Gravitationstheorie Lagrange Dichte: Dilatations - Symmetrie für

Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

Verletzung des Äquivalenzprinzips Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips p,n Erde Kosmon p,n

Differentielle Beschleunigung η Für vereinheitlichte Theorien ( GUT ) : Q : Zeitabhängigkeit anderer Parameter

Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14 MICROSCOPE – Satteliten-Mission

WMAP 2006 Polarisation

Zeit Abstand Perlmutter 2003

Supernova Ia Hubble-Diagramm Rotverschiebung z Riess et al. 2004

Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion

Akustischer Peak in Galaxien -Korrelationsfunktion Geometrischer Test für Dunkle Energie Bei Aussenden der Hintergrundstrahlung : Baryonen und Photonen sind gekoppelt Lineare Störungstheorie : Akustischer Peak bleibt im Spektrum der Baryon – Fluktuationen Lage des Peaks : Test für Verhältnis der Skalen bei z =0.35 und z=1089 Konsistent mit Dunkler Energie : Ωm=0.27(3)

Zustandsgleichung p=T-V Druck kinetische Energie ρ=T+V Energiedichte hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds ab

Negativer Druck w < 0 Ωh wächst w < -1/3 Expansion des Universums ist beschleunigt w = -1 Kosmologische Konstante

Negativer Druck

Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

Zunehmende Wichtigkeit der Dunklen Energie Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! wh < - 1/3

Effekte früher dunkler Energie Strukturwachstum wird verlangsamt

Grenzen für frühe dunkle Energie nach WMAP’06 G.Robbers,M.Doran,…