Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik

1. Kosmologie: Überblick 2. Die Mikrowellen vom Urknall3. Dunkle Materie4. Die Ursuppe5. Die Entstehung der Masse

Michael KobelTU Dresden

Teilchenwelt Schülerworkshop CERN17.6.2011

MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulationhttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/

Strukturbildung im Universum

t = 0,2 Mrd. Jahre20 Mio Lichtjahre

t = 1,0 Mrd. Jahre50 Mio Lichtjahre

t = 4,7 Mrd. Jahre150 Mio Lichtjahre

t = heute300 Mio Lichtjahre

“erste Sterne”

“erste Galaxien”

Postulat:Nachhall der Quanten-fluktuationen des Urknalls,„eingefroren“ durch Inflation(überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives„Aufsammeln“ der Umgebung

Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Ursprung der Dichteunterschiede

Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall:

„Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 0,9 : 0,05 : 1 : 2.000.000.000 Strahlung (Photonen) und Materie in WechselwirkungTemperatur T > 6000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen

380.000 Jahre nach Urknall:Atomhüllen bilden sichDas Universum wird durchsichtigStrahlung breitet sich ungehindert aus

u.a,.Materie-AntimaterieVernichtung in

Photonen

Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre…

(13.700.000.000 Jahre 80 Jahre)

Das Universum ist 80. „Hat“ seit 5 Stunden Homo Sapiens

Ein Neugeborenes,19 Stunden alt.

Erste Schritte mit 13 Monaten

Schulanfang mit 6 Jahren

Unsere Sonne

Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche?

A: 2 sec

B: 8 min

C: 12 Monate

D: 100.000 JahreD: 100,000 Jahre

Analogie: Die Sonne

Innen: T > 10.000.000 K

Ionisation der Atomefreie ElektronenLicht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiertErst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberfläche

Oberfläche (Photosphäre)

T = 6000 KElektronen anAtome gebundenLicht kann entweichenerreicht nach 8 min ungehindert die Erde

Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig

Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung

1999 BOOMERanG

Temperaturschwankungen

COBE

Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher

Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 oC)Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K

Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser SchwankungenJohn C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)

WMAP 2003

Cobe 1994

Mikrowellen als Babyfoto

• Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K• “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete • genau wie bei Schall Klang des Universums

Nach Abzug unserer Milchstraße

Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

Akustische Analogie II: Musikinstrumente

Die Obertöne des Kosmischen Klangs• Das Ohr hört an Obertönen:

• Art des Instruments• geübtes Ohr: Bauweise

Astrophysiker erkennen an den Obertönen:• „Form“ des Universums • Zusammensetzung

Vergleich der Akustischen Wellen

Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !

p Gas im thwindigkeiSchallgesc

Luft Frühes Universum Verhält.

Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung+ Gravitation (!)

10-17

500.000

1020 - 1022

10-14-10-16

Dichte 3x1025 Moleküle / m3 3x108 Protonen / m3

(bei 380.000 Jahren)

Zustandsgleichung

Geschwindigkeit

Wellenlänge

Frequenz

pVk = const. p ~ k p = ⅓c2

v Ökp/ 340 m/s

v c/Ö 3 =1,7x108

m/s20 mm – 20 m 20.000 – 400.000 Lj

17.000 – 17 Hz 10-12 – 0,4x10-13 Hz

fFrequenz

www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit05/unit5.html

Schallwellen vermessen Geometrie

(Tonhöhe))Dichte(1/)(Geometrie

f

Universum: Kenne v und f bestimme (Maßstab)

Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt FrequenzänderungLänge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen)Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung )

Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 )

a e i o u

Geometrie der Raumkrümmung

flach

negativ gekrümmt

positiv gekrümmt

W < 1

W 1

W > 1

erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / Mflach

allgemeineRelativitäts-theorie

bekannter Maßstab

- neg. gekrümmt- flach- pos. gekrümmt

13,7

Mrd

. Lic

htja

hre

Geometrie = „Form“ des Universums

W = 1,005 +- 0,006

W > 1 W 1 W < 1

Das Universum als Spiegelsaal? Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich!

einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D2D Visualisierung)

3D Visualisierung als Spiegelsaal

Möglicher Nachweis: “circles-in-the sky”

Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle gleiche Muster gegenüber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) )konsistent mit Muster des kosmischem Mikrowellen Hintergrunds (CMB)

Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009 http://www.spektrum.de/artikel/974631

Beste Anpassung an CMB Daten:(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)http://arxiv.org/abs/0708.1420Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre(große Unsicherheiten!)

Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie W

atomare Materie (p,n,e): WBSterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,…-- dämpft den ersten „Oberton“-- verstärkt den zweiten „Oberton“

nichtatomare „dunkle“ Materie (n, …): WDM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten „Oberton“

„dunkle“ Energie: WV

„kosmologische Konstante“ „Vakuumenergie“ unverdünnbar

W = WB + WDM + WV = 1

Ergebnis

5% atomare Materie (WB 0,05)

22% nichtatom. Materie (WDM 0,22)

Summe: W1,00 73% „dunkle Energie“ (WV 0,73) !

Unabhängige Bestätigungen:Supernovae und Galaxiencluster

WV

WB + WDM

Zwischenbilanz• Nur 27% des Universums ist Materie

Wm = WB + WDM 0,27 • 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie

möglicherweise uns völlig unbekannt• 73% ist keine Materie, sondern „dunkle Energie“

und treibt das Universum auseinander

• Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstraße ist Mittelpunkt des Kosmos

• Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine „Randerscheinung“ (~ 5%)

• Die „dunkle Energie“ bestimmt die Zukunft

Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“?

1930: theoretische Einführung (Pauli)

1956: experimentelle Entdeckung

(Cowan und Reines)

schwach wechselwirkend: 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: 366.000.000 Neutrinos / m3

im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3

wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!!

aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

Neutrinos: “Singles“ des Universums

Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos

Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte („flavor“) ne nµ nt ist Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch. Massen

Summe von Tönen mit leicht verschiedenen FrequenzenRegelmäßige Oszillation der Lautstärke (Schwebung)Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied Df

Summe von Neutrinos mit leicht verschiedenen MassenRegelmäßiges Verschwinden und Erscheinen abhängig von Dm2

Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung

Akustik NeutrinosSchallwelleTöne (feste Frequenz)Klang=Überlagerung der TöneLautstärke Schallamplitude2

QM-Nachweiswahrscheinlichkeit |Wellenfunktion|2

Größenordnung: ~Hz

0,1 – 10 kHz (Beobachter) 0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)

Schwebungsfrequenz Df der Töne

Kreisbewegung der „Phase“Massezustände ( feste Phasenfrequenz)Flavorzustand =QM-Mischung der Massenzustände

Flavor-Oszillation der Neutrinos Dm2 der Massezustände

• Beitrag zur Massedes Universums:0.1% < Wn< 3%

• erklärt nur kleinenTeil der „dunklen“Materie

Beispiele von Messungen• Sonnenneutrinos: weniger ne wegen Oszillation ne nµ, t

Atmosphärische Neutrinos: weniger nµ wegen Oszillation nµ nt

CNGS Strahl: Erscheinen von nt wegen Oszillation nµ nt

• Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!)zwischen den stabilen Moden n1 n2 n3

• Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hiernur Differenzen von m2 messbar!)

• Animation: Ch. Weinheimer 1 2 3

Andere Kandidaten für Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen?

Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse

Leichtestes SUSY Teilchen stabil= Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? stabil, massiv (> 50 Protonmassen),

schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich bei:

ATLAS & CMS am LHC des CERN

Alter Temperatur Energie Größe

10-43 s 1032 K 1019 GeV Nadelspitze

10-36 s 1028 K 1015 GeV Tennisball

10-24 s 1022 K 109 GeV 50 km

10-14 s 1017 K 10000 GeV wie Sonne

10-10 s 1015 K 100 GeV10-6 s 1013 K 1 GeV wie Sonnen

-system1s 1010 K 0.001 GeV 1 Lichtjahr

1 min 109 K 0.0001 GeV 50 Lichtjahre

1 Jahr 106 K 0.0000001 GeV wie Milch-straße

100.000 Jahre 10.000 K 1 eV 1 MillionLichtjahre

heute 3 K 10-4 eV 10 MilliardenLichtjahre

Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie

Sonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!) Die „Ursuppe“: Nachstellen im Teilchenensemble

ALICE: Pb+Pb Quark-Gluon „Plasma“? Das „Suppenpulver“: Prozesse einzelner Teilchen

ATLAS, CMS, LHCb: p+p b, t, W, Higgs? SUSY?

gemesseneEinzelprozesse(2008)

Theorien

LHC(p+p)

LHCPb+Pb

Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen

Eis schmilzt bei 0 oC @ 270 K Hadronen = Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K

Beschleunige und Kollidiere „Hadronen“-Eis, um „Quark-Gluon“-Wasser herzustellen(erreiche > 200.000 fache Sonneninnentemperatur)

ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen(Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität,Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…) ideale Flüssigkeit?

ALICE kocht die Ursuppe

Die Bedeutung der Teilchenmassen

35

Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): md - mu , md - me

Größen- und Energieskala der Atome(Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …)

Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien

Bindungsenergie steigt mit me Atomdurchmesser fällt mit 1 / me

Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung

Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Kern- und Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte ABER:riesigen Effekt auf Mat.eigenschaften

Erniedrige me auf 0.025 MeV/c2

Leben: 30m große Riesenwesen auf Titan? Erniedrige md – me um 1 MeV/c2

ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs:

keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2

Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, g, n)

Kosmologische Auswirkungen von Massenänderungen

p n W- e- ne

Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen.

http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996)

http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997)

http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999)

http://arxiv.org/abs/0712.2968v1Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)

Animation: Was wäre wenn…

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

View Online: www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn Download: www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen/

Zusammenfassung• Die „Kosmische Symphonie“ der Mikrowellenhintergrund Obertöne ergeben

Form und Zusammensetzung des Universums

• Das Universum ist im Mittel flach

• Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet ca. 5% der Gesamtenergie des Universums

• Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der 22% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall

• Es gibt Ideen, was der Rest ist ( LHC Experimente 2010-…?)

• Der Ursprung der Masse wird sicher am LHC geklärt werden (Higgs?)

• 73% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft

• Kosmologie und Teilchenphysik,Quantenphysik und Akustiksind eng verknüpft

Literaturempfehlungen(zusätzlich zu den schon genannten)

• Dieser Talk auf:http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach)

• Harald Lesch / Jörn MüllerKosmologie für Helle Köpfe(Goldmann Taschenbuch, 2006)

• Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropieshttp://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html(mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004)

• Kosmologie und Teilchenphysik generell www.weltderphysik.de Das Weltall, Welt des Allerkleinstenwww.teilchenphysik.de

• Physik am LHCwww.weltmaschine.de www.weltderphysik.de/de/351.php

• Teilchenphysik für die Schulewww.teilchenwelt.dewww.physicsmasterclasses.org (nächste Veranstaltungen: März 2012)