Raum, Zeit und Materie

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Raum, Zeit und Materie

Raum, Zeit

und

Materie

Max Camenzind

Senioren-Uni

Würzburg @ SS2012


Raum, Zeit

und

Materie


Übersicht

Materie im Universum meiste Materie

ist Dunkle Materie, nur 5% Baryonen.

• Dunkle Materie in Galaxienhaufen.

• Standardmodell baryonischer Materie

1932: Proton, Neutron und Elektron.

• Standardmodell baryonischer Materie

2012 Test an Beschleunigern – LHC.

• Jenseits des Standardmodells – supersymmetrische

Erweiterung.

• Auf der Suche nach der Weltformel

• auf Superkraft im frühen Universum


Sichtbare Materie

des Universums


Dunkle Materie im Coma-Haufen

Fritz Zwicky 1933 Haufen nicht gebunden


Dunkle Materie im Coma-Haufen

Bindet Haufengas gravitativ

Optisch

dominiert 2 Ellipsen

Röntgenstrahlung


100 Mpc

Dunkle Materie im Universum

Verantwortlich für die Web-Struktur


Dunkle Materie in Galaxien

Vera Rubin Rotationskurven

Halo

Scheibe


100 kpc

Galaxie eingebettet

in Halo Dunkler Materie


Dunkle Materie in Kunst


Dunkle Materie Gravitation

im Universum

Van Waerbeke & Heymans


Dunkle Materie

wirkt als Gravitationslinse

Michael Hammer: Das

Standardmodell der Teilchenphysik


Dunkle Materie

verzerrt Bilder


Van Waerbeke & Heymans

Galaxienhaufen bilden sich in DM Halos


Materie des Universums


Dunkle Energie

wird immer wichtiger


Aufbau Baryonischer Materie


griech.

„atomos“ =

unteilbar

Demokrit, 400 v. Chr.


Atom


Atomkern

Elektron


Goldfolie

ZnS-

Schirm

α-Teilchen

radioaktives

Präparat

Ernest Rutherford, 1911


James Chadwick, 1932

α-Teilchen

Neutronen

Protonen

radioaktives

Präparat

Beryllium

Parrafin

Geiger-Müller-

Zählrohr


Standardmodell 1932

Neutron Proton Elektron


Quarks, Leptonen & Co seit 60er


Kräfte vermittelt

durch

Austauschteilchen


Proton gebunden durch Gluonen


Es gibt nur 4 Grundkräfte


Die Austauschteilchen


Standardmodell 2012

Teilchenphysik E < TeV

Kräfte

Leptonen


Standardmodell 2012

Quarks und Leptonen

in 3 Generationen


Standardmodell 100 GeV

Physikalische Parameter

SU(3) c x SU(2) L x U(1) Y


Large Hadronen Beschleuniger


Protonen werden auf

7 TeV beschleunigt

Lorentz-Faktor = 7000

in Paketen von 115 Mrd p

2808 p-Pakete im Ring


LHC Energie

• Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ

Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs

120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h

Die Energie eines

einzelnen Protons

entspricht der einer

Mücke im Anflug

Nadelöhr:

0,3 mm Durchmesser

Protonstrahlen am Kollisionspunkt:

0,03 mm Durchmesser


Der CMS Detektor am LHC


Der ATLAS Detektor am LHC

170 Universitäten und

Institute aus 35 Ländern


Der ATLAS Detektor am LHC


1 barn = 10 -28 m² = 100 fm²


Wasser


Quark-Phasen-Diagramm


Die Ursuppe – Quark-Gluon Plasma

k B T > 1000 MeV


Inverse Kopplungskonstante

Ungelöste Fragen im

Standard-Modell TP

• Warum ist Gravitation so

schwach ?

• Woher bekommen Fermionen

ihre Masse (d, u, s, e, …) ? Sog.

Hierarchie-Problem Higgs

• Kein Platz für Dunkle Materie!

• Wie kann man die

elektroschwache Symmetriebrechung

erklären?

• Warum gerade drei Familien??

• Warum mehr Materie als Anti-

Materie?

• Wie kann Gravitation quantisiert

werden ?

• Was ist der Ursprung der

kosmischen Vakuum-Energie?

• Gibt es noch mehr Dimensionen


Jenseits des Standardmodells

Energie > 1 TeV = 1000 GeV


Supersymmetrische Teilchen

Zu jedem Standardteilchen gibt es einen Superpartner:

Quarks s-Quarks (skalar), Photon Photino

Elektron s-Elektron (skalar), Gluon Gluino


Warum Supersymmetrie?

Superkraft


CMS: Keine SuSy-Teilchen ?


Die Suche nach WIMPs

Neutralino ist leichteste stabile

SuSy-Teilchen, m c > 100 GeV/c²


„Relikt-Teilchen“ aus Frühem Universum

• Dunkle Materie wird durch SUSY Teilchen als

Übrigbleibsel aus frühem Universum erklärt

(bester Kandidat: Neutralino m ~ 200 Gev/c²)

• Bei hohen Temperaturen > TeV waren alle

Teilchen im Gleichgewicht mit dem Plasma.

• Bei gewissen Temperaturen annihilieren

diese Teilchen (cc ff) „Freeze-out“

• Aber annihilieren nicht vollständig, da die

Dichte zu niedrig für nicht-relativ. Teilchen.


Neutralino Galaktischer Halo

r local 0,3 GeV/cm 3 , v/c 10 -3 , m c 200 GeV

Sonnennähe Fluß: 10 5 cm -2 s -1 100 GeV/m c !


Suche nach WIMPs im Gran Sasso

WIMPs = weakly interacting massive particles


Dunkle Materie WIMPs

Direkte Detektion


Prinzip der WIMP Detektion

• Elastische Streuung des WIMP an einem Kern im Detektor

• Rückstossenergie des Kerns mit Masse

m N

Für v c ~ 0,001 c

m

2

2

c

Erecoil (max) 2vx mN

m

N

m

c

( )

E recoil ~ 10 -6 m N c² ~ 100 keV

2

• Dieser Rückstoss wird auf verschiedene Weise gemessen :

Elektronen frei gesetzt Ionisations-Detektor

Lichtblitze Szintillations-Detektor

Vibrationen im Festkörper Phononen-Detektor


WIMP Ionisations-Detektor


XENON100

Int. Kollaboration


WIMP Grenzwerte – XENON100

Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit N

Supersymmetry ?


WIMP Edelgas-Experimente

M. Schumann: arXiv:1206.2169


LUX Detector - USA


LZS/LZD Sensitivity

LUX: 100 kg x 300 days

LZS: 1,200 kg x 500 days

LZD: 13,500 kg x 1000 days


Symmetrien in Physik

Im täglichen Leben meinen wir

Links-Rechts Symmetrie


Linkshändig – Rechtshändig

Ist die mikro-Welt symmetrisch?

WIMPs als rechtshändige Neutrinos?


Warme Dunkle Materie WDM

Ist die mikro-Welt symmetrisch?

SU(3) c x SU(2) L x SU(2) R x U(1) B-L

Warme Dunkle Materie WDM:

rechtshändige Neutrinos mit m = 1 keV/c²

es gibt keine kleinskaligen Dunkle Halos

mit Massen unter 100 Mio. Sonnenmassen;

löst das Problem der zu vielen Satellitengalaxien

in der Lokalen Gruppe mit CDM;

löst das Problem der sog. Cusp-Profile

der Kalten Dunklen Materieverteilung;

die anderen 2 rechtshändigen Neutrinos haben

viel höhere Massen;

es gibt W R Bosonen mit Massen um 10 TeV/c²


Physiker und die Weltformel


Die älteste Weltformel


Die neueste Weltformel E8 - Garrett Lisi – ein Spinner?


Vereinheitlichung der 4 Kräfte


Auf der Suche nach der „Weltformel“

Fortschritt der Physik

Zurück zum Urknall

?

heutige

experimentelle

Grenze


Was war vor dem Urknall?

Gravitationskollaps

Heutige Welt

Frühere Welt


Zusammenfassung

• Die meiste Materie im Universum besteht aus

Dunkler Materie, Baryonen machen nur 5% aus.

• Quarks und Leptonen bilden die normale

Materie, ergänzt durch Austauschteilchen:

Photonen, W und Z und 8 Gluonen.

• Dieses Standardmodell wird intensiv in

Beschleunigern getestet: Tevatron, LHC.

• Standardmodell erklärt nicht alle Materie des

Universums, insbesondere nicht die Dunkle

Materie 2 Modelle: CDM und WDM.

• Standardmodell reicht nicht aus für die Materie

des frühen Universums Superkraft.

• Idee der Weltformel ist eher Phantasterei. Noch

lange nicht in Sicht, obschon Einstein schon

davon träumte.

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