Kern/Teilchenphysik und Kosmologie - CERN

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Kern/Teilchenphysik und Kosmologie - CERN

Kern/Teilchenphysik und Kosmologie

19. Einleitung, Inflation,

Dunkle Materie & Energie des Vakuums

Antimaterie

KT1-SS06 Kern/Teilchenphysik und Kosmologie 1


Teilchenphysik

Kosmologie

Teilchen Massen ?

Planck Skala

Dunkle Materie ?

GUT Skala

Vereinheitlichung

der Kräfte ?

Materie-Antimaterie Asymmetrie ?

KT1-SS06 Kern/Teilchenphysik und Kosmologie 2


Planck Skala

Quantenphänomene kontrollieren kleine Skala, Gravitation kontrolliert grosse Skala

Beide spielen eine Rolle bei der grossen Skala

Fundamentale Konstante

der Gravitation:

G = 6.6 "10 #11 m 3 kg #1 s #2

= 6.7 "10 #39 h c(GeV /c 2 ) #2

Quantenmechanik

h = 6.582 "10 #22 MeVs

Raum-Zeit

c = 2.99 "10 8 ms #1

!

!

Reflektieren die Skala, welche bei der Quantengranularität der Raum-Zeit wichtig wird:

"

m Pl

=

h %

$ '

# G&

1/ 2

"

t Pl

= h G %

$ '

# &

c 5

1/ 2

!

10 19

Planck Skala:

19 GeV, , 10 -33 cm, 10 -43

-43 s

!

t PL ist Zeit, die Licht braucht für eine Distanz von 10 -33 cm, entspricht dem kleinsten

Raum-Zeit Intervall, darunter Effekt der Quantenkrümmung der Gravitation so gross,

dass kontinuierliche Raum-Zeit inkonsistent wird

!

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Vom Big Bang (10(

10 -33

cm) ) zum heutigen Universum (10(

-33 cm

10 28

cm)

28 cm

Die erste Sekunde nach dem Big Bang “sets the scene”

1s = kurz ! Jedoch vollgepackt mit kosmischen Ereignissen

10 -43 s T = 10 32 K, 10 -33 cm entspricht Durchmesser des Universums

Teilchen und Antiteilchen: erzeugt und vernichtet

Gravitation separiert sich von anderen Kräften Phasenübergang

10 -35 s Inflation beginnt:

Inflation beginnt:

Starke Kraft versucht sich von anderen Kräften zu separieren

Quantenblasen können ins Vakuum entkommen

1 Blase bläht sich auf (inflates) mit grosser Geschwindigkeit:

Grösse verdoppelt jede 10 -34 s Blase um 10 50 vergrössert

Temperaturerhöhung um 10 27 K

Diese zusätzliche Energie wird abgegeben (Teilchen werden

erzeugt)

Starke Kraft eingefroren Phasenübergang

10 -32 s Inflation hört auf:

Inflation hört auf: die viel langsamere Big Bang Expansion dominiert

2 Arten von Teilchen: Quarks: : fühlen starke Kraft

Leptonen: fühlen die elektroschwache Kraft

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Vom Big Bang zum heutigen Universum (cont(

cont)

10 -10 s

Elektroschwache Kraft spaltet sich auf: T = 10 15 K Phasenübergang

Elektroschwache Kraft


Schwache Kraft

m W

~ 80 GeV, M Z

~ 90 GeV


Elektromagnetische Kraft

m γ

= 0

10 -6 s

Quark “Massaker”:

Quarks und Antiquarks wurden erzeugt und vernichtet,

wechselwirkten mit anderen Teilchen

Universum hat sich abgekühlt: T = 10 9 K

nicht mehr genügend Energie, um Quarkpaare zu erzeugen

existierende Quarks annihilieren

schaut aus, als ob Quarks für immer verschwinden

q

_

q

q

_

q

q

q _

q _

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Vom Big Bang zum heutigen Universum (cont)

10 -4 s Hadronen werden geformt

Universum hat Grösse unseres solaren Systems

Temperatur sinkt Quark-Antiquark Annihilation hört auf

Übrig gebliebene Quarks kombinieren, um Protonen (uud) und

Neutronen (udd) zu formen

u

d

d

u d u

1 s Neutrinos fliegen weg (sind heute immer noch vorhanden !)

100 s Die ersten Elemente werden gebildet:

Protonen und Neutronen kombinieren und bilden 4 He

Nicht viel passiert in den nächsten ~ 100’000 Jahre

p

n

p n

3 10 5 Jahre Universum beginnt to leuchten

e - bleiben bei Nukleonen Atome werden gebildet

Strahlung nicht mehr stark genug, um Atome aufzubrechen

e -

p

Universum wird transparent und mit Licht (Strahlung) gefüllt

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Energiedichte des Universums

Heute N γ

~ 4 10 8 / m 3 (E ~ 2 10 -4 eV, T = 2.7 K)

N B

~ 0.5 / m 3 (E ~ 1 GeV)

N


γ

~ 10 9

N B

Materie: ρ m

~ 0.5 GeV / m 3

Strahlung: ρ r

~ 0.23 MeV / m 3

ρ r

~ 0.4 MeV / m 3

für Photonen

für γ und ν

Materie dominiert

~300’000 Jahre nach Big Bang T ~ 3’000 K (“Entkopplungstemperatur”): ρ m

~ ρ r

γ+ H e - + p: nicht mehr möglich, brauche dafür

E = 13.6 eV Ionisierungsenergie ( entspricht 1.6 10 5 K)

Photonen nicht mehr von H absorbiert

Materie wird durchsichtig für Strahlung

T » 3’0003

K : Strahlung dominiert

T « 3’0003

K : Materie dominiert

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The Cosmic Connection: The Big Bang

In the first microsecond there was only Particle Physics:

Elementary particles interact through fundamental forces

All forces

unified

GUT

10 19 10 15 10 2 Mass scale (GeV)

10 -33 10 -29 10 -16 Distance (cm)

Strong force separated

Electromagnetic and weak forces united

All forces separated

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Teilchenphysik

Kosmologie

Dunkle Materie ?

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~ 10 11 Galaxien

~ 10 21 Sterne

Baryon Dichte:

n B

= (2.5±0.1)10 -7

Universum ~ 10 28 cm

-7 cm -3

Baryon/Photon = 6.1 10 -10

~ 10 78 Atome

~ 10 88 Photonen

KT1-SS06 Kern/Teilchenphysik und Kosmologie 10


Die versteckte Materie im Universum

Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in Spiralgalaxien:

KEPLER:

Gravitation ≡ Zentrip. Beschleunigung

GM

= v 2

r 2 r

Daten: ν ~ konstant

r

v

!

Woher kommt die meiste Masse im Universum?

Ihre Existenz zeigt sich durch die Gravitation

Sie ist unsichtbar für Astrophysiker

Dunkle Materie (DM)

Von CMB (Cosmic(

Microwave

Background):

Dunkle Materie muss existieren !

Zwicky (1933):

Es muss DM geben !

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CMB):

Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB

CMB: Ausgesendet als Temperatur des Universums ca 3000 K war

(ca 300‘000 Jahre nach dem Urknall)

Atome wurden geformt, Universum wurde transparent

Universum expandiert Licht erreicht uns als Mikrowelle

Sichtbares Licht

Gamma Rays X-Rays Ultraviolett Infrarot Mikrowellen Radio, TV

WMAP

MW Herd

10 -16 10 -14 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0

10 2

Elektromagnetische Wellenlängen (Meter)

CMB: wichtig für kosmologische Parameter

Fluktuationen (Anisotropie) Keime für Strukturformation

Erzeugen Strukturen die wir heute im Universum sehen

Ziel: messe Temperaturvariationen von CMB mit sehr grosser Genauigkeit

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WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

COBE 1992: Erste Hinweise auf Fluktuationen in CMB

Fluktuationen Strukturformation und CMB Anisotropie

WMAP auf Umlaufbahn

1.5 10 6 km von Erde

WMAP

Launch Juni 2001

Datennahme August, 2001

Universum: 4% Atome, 23% Kalte Dunkle Materie, 73% Dunkle Energie

TOT

= ρ/ρ c

= 1.02±0.02 flaches Universum

Ω TOT

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Eine Sequenz einer NASA Animation

Temperaturfluktuationen (gezeigt als Farbunterschiede) des

ältesten Lichtes unseres Universums, welche kleinen

`Klumpen‘ im frühen Universum entsprechen

Strukturen von Galaxien die wir heute sehen

Gravitation zieht Materie von Regionen von kleiner Dichte

zu Region mit hoher Dichte

200 Millionen Jahre nach dem Big Bang: erste Sterne

Gas wurde verdichtet und auf genügend hohe Temperatur erhitzt

Beginn der Kernfusion (wie in unserer Sonne)

Mehr Sterne beginnen zu leuchten

Galaxien formen sich entlang der`Staubfäden’ im Bild 2

Heute: Milliarden von Sternen und Galaxien:

10 11 Galaxien, 10 21 Sterne, 10 78 Atome, 10 88 Photonen

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Woraus besteht die Kalte Dunkle Materie ?

Das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP)

ist ein ausgezeichneter Kandidat für

Kalte Dunkle Materie

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LSP und Kalte Dunkle Materie (KDM)

Das leichteste SUSY Teilchen (Neutralino(

Neutralino, LSP) ist ausgezeichneter

Kandidat für die KDM in unserem Universum

LSP hat eine Masse, ist neutral und wechselwirkt nur sehr schwach

mit normaler Materie

Alle SUSY Teilchen welche nach dem Big Bang erzeugt werden haben ein LSP

am Ende der Zerfallskette Bad von LSPs im heutigen Universum

" C

= 3H 2

0

8#G =1.88$ h 2 $10 %29 g /cm 3

KT1-SS06 Kern/Teilchenphysik und Kosmologie 16

!


LSP und Kalte Dunkle Materie

Nachweismöglichkeiten des LSPs (χ):

Direkter Nachweis: LSP wechselwirkt mit Atomkern eines

Detektors:

falls Galaxie mit LSP gefüllt

viele LSPs sollten durch Detektor gehen

wobei sie an dem Atomkern streuen

LSPs

Collision

with atom

Indirekter Nachweis: 2 LSPs können annihilieren und erzeugen

bekannte Teilchen, z.B. ν, γ, e +

beobachte diese Teilchen

z.B. im galaktischen Halo

oder anderen Regionen

im Weltall

γ

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MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) Teleskop

Weltweit grösstes Cherenkov Teleskop

Inauguration: 10.10.2003

Roque de los Muchachos in La Palma (2225 m)

Beobachtung von

energiereiche Strahlung (> 30 GeV)

ferner Galaxien, SNRs, AGNs, GRB, ..

(bis zu einige Milliarden Lichtjahre weit ins Universum)

Spiegel: ∅ 17 m

Kamera: 577 Lichtsensoren (3 ns)

Gewicht des zu drehenden

Teleskops: ~ 40’000 kg

Film: Zeit der Drehung

Aufgenommen während der Konstruktionsphase

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Schauer Entwicklung

in Atmosphäre

1 o

~15 km

~120m

Kamera:

576 schnelle PMs

Licht pulse ~ einige

ns

Cherenkov Photonen: E γ im UV Bereich

Max. bei ca 330 nm

Grosse Spiegeln sammeln und

fokussieren γ’s auf Kamera

936 Spiegel (à 49.5 x 49.5 cm 2 ): 234 m 2

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Pulsars

AGNs

GRBs

PHYSIK mit MAGIC

SNRs

CDM

Cosmological γ-ray

Horizon

Tests on Quantum

Gravity Effects

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Offene Frage: Materie-Antimaterie Asymmetrie

Wo ist die

Antimaterie

geblieben

??

Materie-Antimaterie Asymmetrie ?

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Das AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) Experiment auf ISS

Messung der geladenen kosmischen Strahlung

Suche nach Antimaterie (z.B. Anti-Helium)

Suche nach Kalter Dunkler Materie

AMS wird im Jahre 2008 auf der

Internationalen Space Station ISS

auf einer Höhe von

430 km installiert.

Konzept eines

Teilchenphysik

Detektors

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AMS-O1: Shuttleflug STS-91

Prototyp von AMS ist während eines zehntägigen Fluges mit der Raumfähre Discovery

im Jahre 1998 erfolgreich getestet worden wissenschaftlichen Ergebnisse

Shuttle Crew besucht ETH

(Dez.. 1997) Start:

2.6.1998

AMS Abschlusstest am KSC

AMS im All

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AMS-O1: Shuttleflight STS-91: Resultate

AMS im All

Antihelium/Helium Fluss Verhältnis

AMS-01

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Das Unverständlichste am

Universum ist im Grunde

dass wir es verstehen !

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