1 Lob der Asymmetrie in der Welt der Teilchen und im Universum Gerhard J. Wagner Physikalisches Institut Universität Tübingen.

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1 1 Lob der Asymmetrie in der Welt der Teilchen und im Universum Gerhard J. Wagner Physikalisches Institut Universität Tübingen

2 03.06.2002Lob der Asymmetrie2 Kosmologie als empirische Wissenschaft Urknallmodell als moderner Schöpfungsmythos Die Welt im Größten und im Kleinsten: - Kosmologie und Teilchenphysik Entwicklung der Kosmologie zur empirischen Wissenschaft - Neue Fenster zum Weltall und Supercomputer -Sonderrolle: Universum einmalig Was hat das mit Symmetrie zu tun?

3 03.06.2002Lob der Asymmetrie3 Inhalt 1. Symmetrie in der Teilchenphysik 2. Symmetrien in der Kosmologie 3. Erfolge und Probleme des Urknallmodells 4. Strukturen im Kosmos 5. Überraschung bei Supernovae 6. Dominanz von Materie über Antimaterie

4 03.06.2002Lob der Asymmetrie4 1.Symmetrie bei den Kernbausteinen Bausteine der Atomkerne: Neutronen q = 0 Protonen q = 1e Bis 1964 einige hundert verwandte (kurzlebige) Teilchen im Zoo der Elementarteilchen Seltsamkeit Charme el.Ladung

5 03.06.2002Lob der Asymmetrie5 Quarkmodell Jedes dieser Baryonen ( =schwere Teilchen) enthält 3 Quarks (Gell-Mann und Zweig ) z.B. Proton = uud Neutron = udd Atomkerne (baryonische Materie) Keine freien Quarks ! Drittelzahlige Ladung bestätigt durch Experimente 6 Quarktypen u.a.: up Ladung:+2/3 e down- 1/3 e strange - 1/3 e und Seltsamkeit charm +2/3 e und Charme Physikalisches Physikalisches Institut Uni T:

6 03.06.2002Lob der Asymmetrie6 Teilchen – Antiteilchen Symmetrie Elektron – Positron Masse gleich auf 8 ppb Ladungsbetrag gleich auf 40 ppb Proton – Antiproton Masse, Ladungsbetrag gleich auf 500ppb Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen Masse und Lebensdauer gleich Gegenseitige Vernichtung/Zerstrahlung

7 03.06.2002Lob der Asymmetrie7 2. Kosmologie Kosmologisches Prinzip (Einstein, 1915): Weltall ist homogen und isotrop 2 Mio Galaxien auf 10% des Himmels bis zu einer Tiefe von 2 Mrd Lichtjahren Translations- und Rotations- symmetrie !

8 03.06.2002Lob der Asymmetrie8 Methode: Rotverschiebung von Spektrallinien Doppler-Effekt Fluchtbewegung Hubble (1929) entdeckt Fluchtbewegung der Galaxien je weiter entfernt, umso rascher die Flucht Beobachter nicht ausgezeichnet!! Verschiebung von Ca-Linien bei 5 Galaxien

9 03.06.2002Lob der Asymmetrie9 Modell des Urknalls Das Weltall hat einen Anfang. Vor 12 bis 16 Mrd Jahren Explosion aus einem Punkt der Raumzeit: Urknall = Big Bang (George Gamow 1948) Danach Ausdehnung gegen die Schwerkraft Geometrische Interpretation der Rotverschiebung

10 03.06.2002Lob der Asymmetrie10 Rotverschiebung und Alter Blick in die Ferne ist zugleich ein Blick in die Vergangenheit. Abhängigkeit der Rotverschiebung vom Zeitpunkt* der Emission z ______ *)Im Detail vom Weltmodell abhängig

11 03.06.2002Lob der Asymmetrie11 Temperaturentwicklung

12 03.06.2002Lob der Asymmetrie12 3.Erfolge und Probleme des Urknallmodells 1.Rotverschiebung 2.Bildung und Häufigkeit der primordialen Atomkerne 3. Kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung Erfolge betreffen Zeiten größer als 1s

13 03.06.2002Lob der Asymmetrie13 Primordiale Nukleosynthese Urknallmodell beschreibt erfolgreich die Nukleosynthese der leichtesten Elemente Einziger Parameter ist dabei das Verhältnis von Baryonen- zu Photonen- zahl : 10 100 1000 s 2.8 h 10 -2 10 -4 10 -6

14 03.06.2002Lob der Asymmetrie14 Kosmische Mikrowellen- Hintergrundstrahlung 1948 von Gamow vorhergesagt. 1965 von Penzias und Wilson zufällig entdeckt. Eigentlich:Wärmestrahlung von 3000K jedoch rotverschoben um Faktor 1100 Ausgesandt bei t= 400 000 a als der Kosmos durchsichtig wurde. Frühestes Signal vom Urknall. Daraus ergibt sich (für heute): Photonendichte n = 4.1 10 8 / m³ Baryonendichte n B = 0.17 / m³ Wärmestrahlung von 2.7281 K mit extremer Genauigkeit

15 03.06.2002Lob der Asymmetrie15 Isotropie der Hintergrundstrahlung Resultate von COBE (1992) Temperaturdifferenzen von etwa 20 d.h. *)nach Korrektur auf Pekuliarbewegung der Erde Winkelauflösung 7° x 7° (200 Vollmondscheiben). Isotropie ist eine gute Annahme auf dieser Skala:

16 03.06.2002Lob der Asymmetrie16 Probleme des Urknallmodells 1.Horizontproblem 2.Flachheitsproblem 3.Monopolproblem 4.Strukturbildung Lösung (A. Guth ; A. Linde): Auftreten einer inflationären Phase: der Kosmos dehnt sich zwischen 10 -34 s und 10 -32 s um den Faktor 10 30 aus

17 03.06.2002Lob der Asymmetrie17 Horizontproblem Zwei Signale, die uns heute erreichen, sind im Standardmodell nicht kausal verknüpft.

18 03.06.2002Lob der Asymmetrie18 Lösung des Horizontproblems...es sei denn, es gab eine inflationäre Phase, in der sich das Universum mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnte

19 03.06.2002Lob der Asymmetrie19 Flachheit im inflationären Modell Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt (Eddington 1919) -also auch durch die Massen im Weltall. Wenn Lichtstrahlen per definitionem geradeaus laufen sollen, bedeutet das, dass der Raum u.U. gekrümmt ist. Das Inflationsmodell sagt ein flaches Universum voraus (Abb.). Unverständlich im Standardmodell, weil sich jede ursprüngliche Abweichung von der Flachheit beliebig verstärken sollte. Vorhersage:

20 03.06.2002Lob der Asymmetrie20 4. Strukturen im Kosmos Symmetriebrechung: Weltall nicht homogen (zum Glück für uns)

21 03.06.2002Lob der Asymmetrie21 Die Winkelauflösung von Boomerang Probleme: -gute Winkelauflösung für cm- und mm-Wellen mit Richtantennen -Infrarotuntergrund von Umgebung und Milchstraße

22 03.06.2002Lob der Asymmetrie22 Start des Boomerang Ballons 10 Tage in 38 km Höhe um den Südpol

23 03.06.2002Lob der Asymmetrie23 Ergebnisse von Boomerang

24 03.06.2002Lob der Asymmetrie24 Ergebnis zur Raumkrümmung Der Raum ist euklidisch (flach) wie vom inflationären Modell vorhergesagt. Methode: ein sphärisch gekrümmter Raum vergrößert- wie eine Sammellinse

25 03.06.2002Lob der Asymmetrie25 Leistungsspektrum der Hintergrundstrahlung stützt das inflationäre Urknallmodell 1° 1/2° 1/3°

26 03.06.2002Lob der Asymmetrie26 5. Aktuelle Ergebnisse von fernen Supernovae Überwachung ferner Galaxien Zwar alle 300 Jahre eine Supernova pro Galaxie, aber: ein Ausschnitt von Vollmond- größe zeigt nach 5 Minuten Belichtung 5000 Galaxien

27 03.06.2002Lob der Asymmetrie27 Ferne Supernova Wo ist die Supernova? Rotverschiebung z=0.66

28 03.06.2002Lob der Asymmetrie28 Beschleunigte Expansion? Ferne Supernovae vom Typ 1a zeigen eine kleinere Rotverschiebung als aufgrund ihrer Helligkeit, d.h ihres Abstands erwartet: Sie entfernen sich langsamer! Da sie alt sind, könnte dies bedeuten, dass das Weltall früher langsamer expandierte als heute. Beschleunigung widerspricht dem Standard- Urknallmodell. Möglicher Hinweis auf Antigravitation ( bei großen Abständen)

29 03.06.2002Lob der Asymmetrie29 Folgen für das Weltalter a)konstante b)verzögerte c)beschleunigte Expansion Weltalter damit möglicherweise größer als angenommen. Gleichmäßige Verzögerte Beschleunigte Expansion Zeit Räumliche Ausdehnung

30 03.06.2002Lob der Asymmetrie30 Einsteins Kosmologische Konstante Zeldovich (1965): Vakuumenergie Heute: Skalares Feld Dunkle Energie Antigravitation

31 03.06.2002Lob der Asymmetrie31 Dichteverteilung leuchtend Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonen

32 03.06.2002Lob der Asymmetrie32 Schicksal des Universums Beschleunigte Expansion wahrscheinlich Das sichtbare Universum wird sehr leer werden

33 03.06.2002Lob der Asymmetrie33 Dichtefluktuationen Aus Quantenfluktuationen entstanden in der Inflation Saatgalaxien Nach Hinweisen auf Inflation zurück zum Strukturproblem: Durch Gravitation keine Strukturen aus einem homogenen Substrat Im heißen Zustand des frühen Universums bilden und vernichten sich laufend Teilchen. Es entstehen statistisch lokale Dichteerhöhungen von mikroskopischer Größe sog. Quantenfluktuationen

34 03.06.2002Lob der Asymmetrie34 Entstehung von Strukturen Im Jahre 400 000, als das Universum etwa 1/1000. seiner heutigen Größe hatte, war das Volumen, das heute die Milchstraße bildet, etwa 0.5% dichter als die Nachbarregionen. Nachricht von solchen Dichteunterschieden in der kosmischen Mikrowellenstrahlung: Flecken etwas kühler. Dieser Flecken expandierte etwas langsamer wegen der Gravitationsanziehung. Folge:Dichteunterschied nahm zu. Nach 15 Mio Jahren (z=100) auf etwa 5%.

35 03.06.2002Lob der Asymmetrie35 Galaxien-Entwicklung Blicke in die tiefe Vergangenheit

36 03.06.2002Lob der Asymmetrie36 Grobstrukturen im Universum Filamente, Wände und Lücken Typische Lochdurchmesser etwa 25 Mpc. Homogenität also erst bei Mittelung über gewaltige Skalen (<150 Mpc)

37 03.06.2002Lob der Asymmetrie37 Tatsächliche Grobstrukturen

38 03.06.2002Lob der Asymmetrie38 Bisherige Ergebnisse 1. Das sichtbare Universum ist wahrscheinlich euklidisch (flach). 2.Es expandiert möglicherweise sogar beschleunigt. 3.Die baryonische Materie macht nur wenige Prozent des Universums aus. Wir kennen weder die dunkle Materie, noch die dunkle Energie. 4. Strukturen sind vermutlich durch Inflation aus mikroskopisch kleinen Quantenfluktuationen entstanden.

39 03.06.2002Lob der Asymmetrie39 6. Dominanz der Materie -Eine weitere für unsere Existenz wichtige Asymmetrie: Im Universum bisher keine Inseln von Antimaterie entdeckt -Diese Asymmetrie ist nur scheinbar extrem. Tatsächlich gab es 1 Mikrosekunde nach dem Urknall eine minimale Asymmetrie: Pro (1Mrd + 1) Quarks gab es 1Mrd Antiquarks Hieraus entwickelte sich die baryonische Materie im Universum. Rest steckt in Hintergrundstrahlung

40 03.06.2002Lob der Asymmetrie40 Problem für die Teilchenphysik Ursprünglich gab es gleich viele Teilchen wie Antiteilchen.(Dies ist beim inflationären Modell sogar notwendig wegen der Verdünnung jeden Überschusses) Wie entstand aber dann die Asymmetrie? 1.Prozesse, welche die Baryonenzahl ändern 2.Materie muss sich anders verhalten als Antimaterie Bisher nur zwei Beispiele gefunden: - Zerfall der K-Mesonen (1964) - Zerfall von B-Mesonen (2001) Ergebnis bisher: Die beobachte Asymmetrie ist zu gering, die Dominanz der Materie zu erklären.

41 03.06.2002Lob der Asymmetrie41 Experimente gehen weiter Urknall-Situation im Labor

42 03.06.2002Lob der Asymmetrie42 Zusammenfassung 1.Teilchenphysik und Kosmologie weisen hochgradige Symmetrien auf. 2.Jedoch: Symmetriebrechungen in der Frühphase des Universums sorgten für -Saatgalaxien - Dominanz der Materie. Ergo: Ohne Symmetriebrechungen säßen wir nicht hier