Elementarteilchen aus dem Urknall 1.2 Thomas Hebbeker RWTH Aachen DPG 2003 12.03.2003, 60 min, DPG-Frühjahrstagung 2003 Aachen Bild: VLT, NGC 1232: 70 million light years VLT NGC 1232

Übersicht Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Die Milchstraße Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand Erde-Sonne 25000 Lj Aachen Das Sonnensystem in der Milchstrasse „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse

Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre Whirlpool = M91 = NGC 5194 (HAST) „Whirlpool“ 37 Millionen Lj Palomar Observatory, E. Hubble (1949)

Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit!

Doppler-Effekt (Licht) Radarkontrolle Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: Wellenlänge

Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble ROTverschiebung: Galaxien entfernen sich Universum expandiert !

„Big Bang“ = Ur-“Knall“ Zeit Raum Fred Hoyle 1950 - 15 Milliarden Jahre „Big Bang“ = Ur-“Knall“

Licht von der Urexplosion Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K George Gamow: Nukleosynthese-Modell, Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman; letztere publ. 1948 Plancksche Strahlungskurve

Licht von der Urexplosion Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K George Gamow: Nukleosynthese-Modell, Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman; letztere publ. 1948 Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Plancksche Strahlungskurve Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form

Die kosmische Hintergrundstrahlung Penzias und R. Wilson 1965: COBE Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Plancksche Strahlungskurve

Entwicklung des Universums ? Kollaps Beschleunigte Expansion In jedem Szenarium: Urknall !

Zusammenfassung Astrophysik Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Licht aus „Urexplosion“ Pferdekopfnebel Big-Bang - Modell

Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

Die Struktur der Materie = 1 fm elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Kernkraft = starke Wechselwirkung

Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems Atom aus Elektronen und Kern Neutrino Elektron Leptonen up-Quark down-Quark Neutrino ?! Kern aus Nukleonen Kernbausteine = Nukleonen: p = Proton = u + u + d (positiv) n = Neutron = u + d + d (neutral) Nukleon aus Quarks Grundbausteine sind punktförmig : “Elementarteilchen“ (heutige Messgenauigkeit = 1/1000 Protonradius)

Materie - Antimaterie Zu jedem Lepton und Quark existiert ein Antiteilchen Beispiele: Elektron Positron Neutrino Antineutrino Gibt es Galaxien, Planeten,... aus Antimaterie ? Asymmetrie im Universum

Der Beta-Zerfall p n e „schwache Kraft“ = „schwache Wechselwirkung“ ~ 1900 Erforschung der Radioaktivität Alchemie – Umwandlung der Elemente ! Zerfall selten -> schwach ! Einzige Kraft, die Teilchen verwandeln kann ! Problem: Energiebilanz! - Freiwerdende Energie folgt aus Einsteins Formel - Kinetische Energien von p und e werden gemessen: etwa die Hälfte der kinetischen Energie fehlt !

Das Neutrino ? p e W. Pauli: Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der Gauvereins-Tagung zu Tübingen, vom 4.12.1930 e Liebe Radioaktive Damen und Herren! ... es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutrinos nennen will, in den Kernen existieren ... ... dass mit dem Elektron jeweils noch ein Neutrino emittiert wird, derart, dass die Summe der Energien von Neutrino und Elektron konstant ist. .... ... Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfindenden Balles hier unabkömmlich bin. ...

Neutrinos Eigenschaften: sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr sehr kleine Masse, vielleicht null (< 1/100000 Elektronmasse) Harris/Grupen Quellen: Masselos -> Lichtgeschwindigkeit Wechselwirkung so klein, dass Voraussage: nicht nachweisbar Ka-40 im menschlichen Koerper: etwa 5000/s 1 kg Erde typisch einige hundert Bq natürliche Radioaktivität Sonne Supernovae Kernreaktoren „Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise ?“

„Project Poltergeist“ Neutrino-Nachweis n + e p Kernreaktor Savannah-River Reaktor 1956 C. Cowan, F. Reines „Project Poltergeist“ Cowan Reines

Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren Ziele: Neue Teilchen (große Masse) Struktur der Teilchen (z.B. Proton) Kräfte bei hohen Energien HOHE ENERGIE ! Big Bang

Forschungszentren FERMILAB (USA) SLAC (USA) KEK (Japan)

HERA: e (30 GeV) + p (1000 GeV) Weltbestes Elektronenmikroskop + - + - DESY

Kollisionsereignis im BABAR-Detektor (SLAC) Magnetfeld

Das Standardmodell der Teilchenphysik 3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: Quarks: + Gravitation leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon ) schwach: ermöglicht Umwandlungen (W-Boson,Z-Boson)

Das Standardmodell der Teilchenphysik 3 „Familien“ Materie-Teilchen: Leptonen: ? Higgs ? Quarks: + Gravitation leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: hält Quarks im Nukleon und Nukleonen im Kern (Gluon g) elektromagnetisch: bindet Elektronen an Kern (Photon ) schwach: ermöglicht Umwandlungen (W-Boson,Z-Boson)

LHC = Large Hadron Collider am CERN 7000 GeV p + 7000 GeV p Start: 2007 p p Atlas Bis 2000: LEP = Large Electron Positron Collider

CMS-Detektor am LHC

Zusammenfassung Elementarteilchenphysik Beschleuniger + Detektoren Standardmodell: 3 Familien von Leptonen und Quarks Starke und elektromagnetische und schwache Kraft ? Higgs ? Fermilab

Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

Astronomen und Teilchenphysiker ... damals ... ~ 1900 Erforschung der Radioaktivität

Astronomen und Teilchenphysiker ... heute ... NASA/HST CERN/LEP

Astronomen und Teilchenphysiker ... heute ... NASA/HST CERN/LEP NASA (Hubble – Teleskop) CERN (LEP-Beschleuniger)

Astronomen und Teilchenphysiker „Kein Zweifel, lieber Kollege –wir haben den Sinn des Universums berechnet !“

Prozesse im frühen Universum heute Atome Prozesse im frühen Universum Kerne Teilchenphysik

Bildung von Atomen t = 300 000 J. T = 3000 K E = 0.3 eV + - Kerne + - Kerne H-Kern + e g H-Atom He-Kern + 2 e g He-Atom Licht kann sich ungehindert ausbreiten, Universum wird durchsichtig! Hintergrundstrahlung!

Nukleosynthese t = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV 2 n + 2 p g He-Kern p = H-Kern n zerfällt Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Supernovae !

Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % 25 % Wasserstoff Helium Wir bestehen aus Sternenasche !

Neutrinos aus dem Urknall Entstehung: t << 1 sec „Entkopplung“: t = 1 sec T = 10 Milliarden K E = 1 MeV Neutrinos aller Sorten ( ) plus Antineutrinos !

Inhalt: Zusammensetzung pro : Kinetische Energie: (noch) pfandfrei !

Fragen: Kann man diese Neutrinos nachweisen ? bisher nicht (da Wechselwirkung schwach und Energie sehr klein) Woher kennt man die Zahl / ? Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung + Rechnungen Bleiben die Neutrinos in der Dose ? Nein, sie fliegen von allen Richtungen mit hoher Geschwindigkeit rein und raus

Astrophysik Universum Urknall Elementarteilchenphysik Teilchen und Kräfte Neutrinos Neutrinos aus dem Urknall Aktuelle Neutrinophysik

Neutrino-Masse ? Wichtig für Teilchenphysik und Kosmologie: Kollaps des Universums ? ? Universum: 1 Milliarde mal mehr Neutrinos als Nukleonen ! Massenbestimmung: Genaue Messungen des Beta-Zerfalls Neutrino-Oszillationen ? (B. Pontecorvo 1969)

Neutrino-Oszillations-Experimente Beschleunigerexperimente 53 reactors Reaktorneutrinos Sonnen-Neutrinos

Super-Kamiokande Japan

Neutrino-Eigenschaften Nobelpreis 2002 Neutrino-Oszillationen in mehreren Experimenten nachgewiesen! R. Davis, M. Koshiba Sonne rehabilitiert ! Neues Verständnis der schwachen Wechselwirkung Neutrinos haben eine Masse Beitrag der Big-Bang-Neutrinos zur Masse des Universums: gleiche Größenordnung wie Atome oder weniger (Elektron: )

Faszinierende Ergebnisse die unser Weltbild prägen Zusammenfassung Astrophysik + Teilchenphysik = Kosmologie Faszinierende Ergebnisse die unser Weltbild prägen LHC-Tunnel http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/index.html#presentations

ANHANG

Doppler-Effekt (Akustik) Radarkontrolle Christian Doppler 1842 Prag, Schall und Licht Ruhende Quelle Bewegte Quelle

Plan: TESLA-Linearbeschleuniger = TeV Energy Superconducting Linear Accelerator

Neutrino-Physik in Aachen Gargamelle- Blasenkammer 1973