Elementarteilchen-physik VI. Kosmologie 6.1. Grundlegende astrophysikalische Beobachtungen 6.1.1. Grundlagen Astronomie: Beobachtung kosmischer Objekte & Phänomene Astrophysik: Interpretation mit physikalischen Modellen Kosmologie: Struktur & Dynamik des Weltalls im Großen Kosmologie Elementarteilchen-physik Dynamik des frühen Universums Struktur im Großen Dunkle Materie Dunkle Energie...

6.1.2. Experimentelle Methoden Messgrößen: Strahlung aller Arten bei allen Energien optische Beobachtungen (Sterne, Galaxien, Nebel,...) spektrale Verteilungen, Spektrallinien Radioteleskopie von Erdoberfläche Satelliten-Teleskopie (Infrarot  Röntgen  Gamma) z.B. WMAP  Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung INTEGRAL  Röntgen / weiche Gammastrahlung GLAST  harte Gammastrahlung Unterirdische Detektoren (Neutrino-Teleskopie) Quellen: Aktive galaktische Kerne, Supernovae, Sonne,... Detektoren für geladene kosmische Strahlung ( Protonen, Kerne, e ) Satelliten, Ballons, Luftschauerdetektoren Gravitationswellen ( Laserinterferometer, Resonatoren )

Schwarzkörper-Strahlung Beispiele: thermisches Universum: Spektralverteilung Temperatur nicht-thermisches Universum: Spektralverteilung  Erzeugungs- und Beschleunigungsmechanismus Linienspektren  Elemente, Moleküle Dopplerverschiebung  Geschwindigkeit Standardkerzen bekannter Leuchtkraft  Abstände Cepheiden (periodisch Veränderliche), Supernovae von Typ Ia,... Schwarzkörper-Strahlung Einheiten: Lichtjahr: 1 Lj  9,5∙1015 m Lichtsekunde: 1 Ls  3∙108 Lj  3∙108 m

Zustand des bekannten Universums (heute): 6.1.3. Resultate Zustand des bekannten Universums (heute): Materie: Nukleonen, Elektronen Verteilt auf… Sonnen ( M ≈ 1029…1032 kg ) Planeten interstellaren Staub, interstellares Gas Quasare (Quasi-Stellare-Objekte, ferne aktive Galaxien) Neutronensterne, schwarze Löcher, … Räumliche Struktur Galaxie: O( 1011 ) Sonnen, ØGalaxie ≈ O( 105 ) Lj sichtbares Universum: O( 1011 ) Galaxien, strukturiert in Galxienhaufen, Superhaufen, Bändern, Wänden,… homogen im Großen, auf Skalen > 5∙108 Lj Mittlere Dichte: ρ ≈ 10-31 g / cm3 ≈ 0,05 H-Atome / m3

Chemische Zusammensetzung M( H ) ≈ 75% M( He , D, … ) ≈ 25% Dynamik der Materie Sterne: vgl. Sternentwicklung, Kap. 5.3.2. Galaxien: streben auseinander  Rotverschiebung  das Universum expandiert Expansionsrate des Universums (heute): Hubble Konstante: Rotverschiebung: Fluchtgeschwindigkeit: Alter des Universums ≈ 14 Milliarden Jahre

thermisch  Plancksches Spektrum Photonen: nicht-thermisch: Synchrotronstrahlung (  Elektronen in Magnetfeldern ) Inverse Comptonstreuung: e gIR  e gTeV WW kosmischer Strahlung  p0  gTeV gTeV … thermisch  Plancksches Spektrum Sonnenlicht Infrarot-Strahlung von Staub und Gas 3-Kelvin Hintergrundstrahlung: T  2,735 K  ng  400 / cm3 ng / nBaryon ≈ 3∙109 Isotropieabweichung: DT / T ≈ 105

6.1.3. Bild 1

Entfernungen: Erddurchmesser 0,03 Ls Erde – Mond 1 Ls Erde – Sonne 500 Ls Pluto – Sonne 20000 Ls Sonne – Proxima Centauri 4 Lj Sonne – Galaktisches Zentrum 30000 Lj Sonne – Andromeda-Galaxie 2∙106 Lj Sonne – ferne Galaxie 1010 Lj

6.2. Das Big-Bang-Modell 6.2.1. Überblick H0(t) ≈ const. bis heute  „Radius” R(t) des Universums war 0 vor ≈ 1/H0 ≈ 2·1010 Jahren Interpretation: Big Bang ( Urknall ) Interpretation in allgemeiner Relativitätstheorie: R(t) = Skalenparameter ( Streckung von Abständen ) Homogenität & Isotropie im Großen  Berechnung von R(t) Grundlage der allgemeiner Relativitätstheorie: Äquivalenzprinzip: Beschleunigung und Gravitatioskraft sind lokal ununterscheidbar Geometrische Interpretation: Massen verkrümmen Raum-Zeit Trajektorien entlang der Geodäten

g(x)  Krümmungstensor  Trajektorien Mathematische Erfassung der Raum-Zeit-Krümmung: Linienelement metrischer Tensor Flache Raum-Zeit: Differentialgeometrie  Krümmungstensor aus g(x) Einsteinsche Feldgleichungen  Massenverteilung  Energie-Impuls-Tensor  g(x) g(x)  Krümmungstensor  Trajektorien

Entwicklung von  0  1 für  0  1  101 ( hypothetisch ) 6.2.3. Bild 1 Strahlungsdominanz Materiedominanz Entwicklung von  0  1 für  0  1  101 ( hypothetisch )

6.3.1. Die ersten drei Minuten 6.3. Das frühe Universum 6.3.1. Die ersten drei Minuten Erste 10 000 Jahre  Strahlungsdominanz  k = 0 t < 10-10 s: T > 1015 K ; kBT > 100 GeV heutige experimentelle Elementarteilchenphysik bei Skala 100 GeV Prozesse jenseits des Standardmodells vermutlich aktiv CP- und B-verletzende Prozesse erzeugen Überschuss baryonischer Materie vs. Antimaterie Spontane Symmetriebrechungen des Vakuums  Plötzliche Aufblähung des Universums (Inflation)  Homogenität, Isotropie,   ,…

t = 10-10 s: T = 1015 K ; kBT  100 GeV t = 10-5 s: kBT  100 MeV Ursuppe im thermischen Gleichgewicht Quark-Gluon-Lepton-Photon-Gas #(Teilchen)  #(Antiteilchen), Asymmetrie = O(10-9) Gesamtladung = 0 t = 10-5 s: kBT  100 MeV s-, c-, b-, t-Quarks und -, -Leptonen sind durch schwache Wechselwirkung zerfallen ( alle haben m > 100 MeV ) Nukeonen p und n bilden sich Nukleonen-Antinukleonen-Annihilation  Antibaryonen verschwinden O(10-9)-Anteil an Baryonen überlebt

t = 1 s: kBT  1 MeV < mn  mp = 1,3 MeV Teilchen: thermodynamisches Gleichgewicht: p  n # Leptonen, # Photonen ≫ # Baryonen t = 1 s: kBT  1 MeV < mn  mp = 1,3 MeV (p  n)-Übergang selten  schwache Wechselwirkung selten # n / # p  0,19 (Anti-)Neutrinos entkoppeln und bewegen sich ab jetzt frei # leichte Bosonen (g) 4 # leichte Fermionen einer Sorte (n,e) 3 =

t = 10 s: kBT  0,3 MeV < m(e+e-) Positronen verschwinden: e+ e-  g g winziger e--Überschuss bleibt Universum ist neutral  # e- = # p Zahl der Photonen erhöht sich um Faktor  Aufheizung des Photon-Gases gegenüber Neutrinos: Tg  1,4 Tn Photon-WW mit e- und p (Gleichgewicht)  Photonen nicht frei Neutronen beginnen zu zerfallen (t  890 s) Kerne können nicht existieren (Desintegrierung durch Photonen)

t = 100 s: kBT  0,1 MeV ≪ EB(Kerne) Kerne frieren aus; der Neutronenzerfall endet nach  200 s d-, a-, Li-Kerne bilden sich (a neben p dominant, d‘s verschmelzen zu a’s) Modellrechnungen liefern d-Häufigkeit als Funktion von WB WB groß  hohe Fusionsrate  kleine relative d-Häufigkeit Messung der relativen d-Häufigkeit  WB  0,01...0,1  WB = 1 ist ausgeschlossen! Wie kann dann W = 1 sein? baryonisch

 6.3.2. Entstehung von Atomen, Sternen und Galaxien t  300 000 Jahre: T  4000 K ; kBT  0,3 eV < EB(Atome) neutrale Atome entstehen; e-, p sind nicht mehr frei Photonen entkoppeln von Materie Das Universum wird transparent Ereignisse ab hier im Prinzip noch heute „sichtbar” ab jetzt: heute: Neutrinos heute: Teilchenverhältnisse heute: (bis auf äußere Aufheizung) Baryon-Antibaryon-Asymmetrie 

Bänder, Wände, Leerräune t > 109 Jahre: Gas im Großen: Sterne Galaxien lokale Verdichtung Sterne Planeten Neutrinos Photonen schwere Kerne Gravitation Galaxienhaufen Superhaufen Bänder, Wände, Leerräune

6.4. Probleme des Big-Bang-Modells Dunkle Materie: Wir wissen MUniversum ≫ MBaryonen ( 11.5. ) Isotropie-Horizont-Problem: R  tx mit x < 1 verschiedene Regionen unseres Universums waren früher kausal getrennt Woher stammt die Isotropie (z.B. der 2,7 K-Strahlung) ? Strukturbildung: Wie entstehen Galaxienverteilungen? winzige initiale Dichtefluktuationen  vgl. b) Rolle der dunklen Materie und der Neutrinos? Möglicher Ausweg: Inflation des Universums bei t  1035 s  Bild 1

ohne Inflation mit Inflation Inflation

6.5. Dunkle Materie Evidenz: Theorie  vermutlich W ≫ Wsichtbar  0,02 Rotation von Spiralgalaxien (Doppler-verschobene Spektrallinien) Spiralarm Kern r v Annahme: Masse im Kern konzentriert

Vorhersage: r v Beobachtung: v  const. Erklärung: Spiralarm Kern r v Vorhersage: Beobachtung: v  const. für rKern < r ≲ 10 rGalaxie Erklärung: Galaxie eingebettet in Halo dunkler Materie, wobei wie bei Gas

Resultat: W  1 ( vermutlich ) WB < 0,1 ( aus Elementhäufigkeiten ) 90% - 99% der Materie ist dunkel, und liegt in Form exotischer, nicht-baryonischer Materie vor. Kandidaten: massive Neutrinos supersymmetrische Teilchen, z.B. Neutralinos Teilchenanregungen in höheren Raumdimensionen Axionen Gravitinos Wimpzillas ...

Neutrinos: 109 kosmische Neutrinos pro Baryon Wenn Dunkle Materie  Neutrinos, dann Wn  10…100 WB  ∃ Neutrino mit mn  10…100·109 GeV  10…100 eV direkte Grenze: m(ne) < 2 eV, m(nm) < 0,19 MeV, m(nt) < 18 MeV Oszillationen: Dm2  O(10-4)…O(105)  mn < 0,1 eV ist „natürlich”  zu klein? Wimps: Weakly interacting massive particles (hypothetisch) Eingenschaften: schwach wechselwirkend ( neutral) massiv (vermutlich einige 10 bis 100 GeV) stabil heißer Kandidat: leichtestes Neutralino in SUSY-Theorien mit R-Paritäts-Erhaltung direkter Nachweis möglich: elastische Wimp-Kern-WW

Beispiel für Experiment zum direkten Wimp-Nachweis: tiefgekühlter Kristall, abgeschirmt, Untergrundlabor Wimp-Stoß  Phononen  Aufheizung einer supraleitenden Schicht bei der Sprungtemperatur Signal in SQUID  „Thermometer” Untergrundprozesse  Phononen und Photonen; Photon-Absorption auf Halbleiter/Detektor  Aufheizen eines zweiten supraleitenden Thermometers Indirekter Nachweis: Wimp-Wimp-Zerstrahlung im Weltall erzeugt hochenergetische Gammas und Antimaterie Suche nach direkter Erzeugung von Wimps am LHC, CERN, seit 2010 ( z. Zt. 3,5 TeV Protonen auf 3,5 TeV Protonen )