Hauptseminar Astroteilchenphysik – Kosmische Strahlung Die ersten 3 Minuten – Elemententstehung im Urknall Hauptseminar Astroteilchenphysik – Kosmische Strahlung Philipp Burger TexPoint fonts used in EMF. Read the TexPoint manual before you delete this box.: AAAAAAAAAA

Inhalt I. Energie- Zeitskalen II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum III. Planck – Ära GUT – Ära IV.1. Supersymmetrie IV.2. Baryogenese IV.3. Abspaltung der starken WW V. Quark – Ära V.1. Thermisches Gleichgewicht V.2. elektroschwacher Phasenübergang

Hadronen – Ära VI.1. Bildung von Hadronen VI.2. Entkopplung der Neutrinos (Freeze Out) Leptonen – Ära VII.1. Elektron – Positron – Annihilation VII.2. Reheating Nukleosynthese VIII.1. Bildung von leichten Kernen VIII.2. Andere Kerne VIII.3. Massenverhältnisse IX. Entkopplung der Photonen

I. Energie- und Zeitskalen Hubble-Parameter kritische Dichte Energiedichte (Strahlung) (Materie)

Temperatur Zeit (Strahlung) (Materie) (Strahlung) (Materie) Energie – Temperatur :

II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum Energie im frühen Universum hauptsächlich durch Strahlung bereitgestellt (strahlungsdominiert) nach tc = 66000a Übergang mit Materie kühlt langsamer ab ("mc2")

Strahlung und Materie nie im thermischen Gleichgewicht materiedominiert strahlungsdominiert

III. Planck - Ära Planck – Skala : Compton-Wellenlänge = Schwarzschild-Radius = Compton-Wellenlänge = Quanteneffekte = Gravitationseffekte

tP < 10-43s , lP = 10-35m , EP = 1019GeV hohe Dichte (1094 g cm-3) und Temperatur eine Urkraft Grenzen physikalischer Gesetze (Quantengravitation)

IV. GUT - Ära t = 10-43s - 10-36s, E ≈ 1016GeV Gravitation spaltet sich als Kraft ab (spontane Symmetriebrechung) restlichen 3 Kräfte in GUT vereint (X-Kraft) (Grand Unified Theory) Supersymmetrie (Susy) Baryonenasymmetrie (Baryogenese)

IV.1. Supersymmetrie (Susy) Einführung neuer Teilchen (Susypartner) Teilchenmassen 100 - 2000GeV Bisher noch kein Teilchen gefunden Vereinheitlichung der Kräfte

Vereinheitlichung der Kräfte em schwache starke

IV.2. Baryogenese Sacharowbedingungen: 1.Baryonenzahl muss verletzt sein 2.C- und CP-Verletzung 3.Thermodynamisches Ungleichgewicht unterschiedliche Wirkung der GUT-Kraft auf Teilchen bzw Antiteilchen

X- und Y-Bosonen (mX = 1015GeV) zerfallen bei T = 1029K in Quarks und Leptonen

auf 100000000 Antiteilchen kommen 100000000 + 1 Teilchen auf 1 Teilchen kommen 1Milliarde Photonen (Baryonen-Photonen-Verhältnis)

IV.3. Abspaltung der starken WW t = 10-36s , T = 1027K Beschleunigte Expansion inflationäres Universum Exponentielle Zunahme

Ausdehnung um Faktor 1050 (Überlicht) Inflation löst verschiedene Probleme der Urknalltheorie: Horizontproblem Flachheitsproblem magnetischen Monopole

Horizontproblem Teilchen aus A und B jeweils 1010a unterwegs A und B haben gleiche Temperatur ohne Inflation wären A und B nie im kausalen Kontakt gewesen

Flachheitsproblem > 1 : "Big Crunch" < 1 : keine Sterne und Galaxien (Expansion) Messungen : Wahrscheinlichkeit dass :

magnetische Monopole Maxwell-Gleichungen Dirac : da elektr. Ladung quantisiert, muss es magnetische Monopole geben bisher noch nicht entdeckt Monopole durch Inflation ausgedünnt

V. Quark - Ära t = 10-33s - 10-5s , Beginn der Ära bei T ≈ 1025K , E ≈ 1012GeV Quark - Gluon - Plasma einzelne Quarks und Antiquarks keine X-Bosonen mehr noch keine Hadronen

V.1. Thermisches Gleichgewicht alle Elementarteilchen im thermischen Gleichgewicht: Prozesse laufen gleichhäufig ab (Produktion) (Annihilation)

V.2. Elektroschwacher Phasenübergang t = 10-11s , T = 1016K , E = 100GeV elektroschwache Kraft spaltet auf (erneut spontane Symmetriebrechung) W-, Z-Bosonen, Quarks, Leptonen erhalten Masse 4 Kräfte Entkopplung der Kräfte abgeschlossen

VI. Hadronen - Ära VI.1. Bildung von Hadronen t = 10-5s - 10-4s , T ≈ 1013K , E ≈ 100MeV VI.1. Bildung von Hadronen ungefähr gleich viel p wie n n und p wandeln sich ineinander um

durch Umwandlung entstehen viele Neutrinos p und n im thermischen Gleichgewicht bis etwa T < 1010K mittlere Energie der Neutrinos zu klein um n zu erzeugen Abnahme von n/p

VI.2. Entkopplung der Neutrinos t = 50ms , T = 4 1010K , E = 4MeV Wechselwirkungsrate < Expansion (mittlere freie Weglänge) Neutrinos nehmen nicht mehr an WW teil ("Freeze out")

VII. Leptonen - Ära t = 10-4s - 1s , T ≈ 1012K weitere Abkühlung Energie reicht nur noch aus um e+e- Paare zu erzeugen (Paarerzeugung) Elektron und Positron sind dominante Teilchensorten

VII.1. Elektron - Positron - Annihilation t = 1s , T = 1010K , E = 1MeV Energie reicht nicht mehr aus um e+e- Paare zu erzeugen (me = 511keV) nicht mehr möglich möglich Annihilation der e+e- - Paare "Reheating"

VII.2. Reheating Abschätzung der Erwärmung: Entropieerhaltung Freiheitsgrad nPauli = 7/8 für Fermionen, 1 für Bosonen

VIII. Nukleosynthese t = 1s - 180s , T ≈ 109K , E ≈ 100keV weitere Abkühlung p und n nicht mehr relativistisch Teilchendichte der n und p: Verhältnis von n und p (t = 1,5s):

Bildung von Deuteronen, aber auch Konkurrenzprozess (hochenergetische Photonen) Neutronenzerfall

VIII.1. Bildung von leichten Kernen 99% der Neutronen sind in 4He gebunden.

VIII.2. Andere Kerne t = 180s - 1000s , E = 80 - 90keV effektive Deuteron - Bildung (auch Tritium) keine stabilen Kerne mit A = 5 oder 8 in seltenen Fällen Bildung von 7Li und 7Be

VIII.3. Massenverhältnisse fast alle n enden in 4He 25% der Masse des Universum ist 4He 75% sind p 3He und 7Li sind in Spuren vorhanden schwere Elemente bis Eisen erst später (Spallation, Kernreaktionen in Sternen)

IX. Entkopplung der Photonen (CMB) t = 300000a , T = 105K , E = 13,6eV e- und Photonen nicht mehr im thermischen Gleichgewicht neutrale Elemente

Literatur C. Grupen - Astroparticle Physics (Springer Verlag 2005) Matts Roos - Introduction to Cosmology (Wiley 2003) de Boer - Skript "Einführung in die Kosmologie" Internet