Moderne Physik: Elementarteilchenphysik ...husemann/teaching/2008_ss/moderne_physik/... · Protonen aus kosmischer Strahlung reagieren mit CMB-Photonen → resonante Produktion von

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik,

Astroteilchenphysik, KosmologieUlrich Husemann

Humboldt-Universität zu BerlinSommersemester 2008

Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10

PräsenzübungWelche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle?

2

µ+ ! e+!e

K+ ! e+!e

n ! pe"!e

"0 ! ### ! e+e"

e+e" ! ##

✘ (Leptonenzahlerhaltung)

✔ (schwach)

✔ (schwach)

✔ (elektromagnetisch)

✘ (Impulserhaltung)

✔ (elektromagnetisch)


PräsensübungWelche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle?

3

p ! !+!0

!" ! K0e""e

K" ! !0e""e

t ! W+bt ! Zc

!++ ! p!+

✘ (Baryonenenzahlerhaltung)

✘ (Energieerhaltung)

✔ (schwach)

✔ (schwach)

✘ (keine Flavor- ohne Ladungsänderung)

✔ (stark)

Kapitel 8.3

Entwicklung des frühen Universums


Geschichte des Universums

5[CERN]

Fortschreitende Zeit: Energie/Temperatur nehmen ab (E = kBT → T[K] ≈ 11605·E[eV]):

Wichtige Epochen:

t < 10–43 s: Urknall

t < 10–34 s: Kosmische Inflation

t < 1 s: Baryogenese

t ≈ 3 min: Nukleosynthese

t ≈ 380.000 Jahre: Entkopplung Materie–Strahlung

t ≈ 109 Jahre: Erste Sterne und Galaxien


Big-Bang-Kosmologie: ProblemeHorizont-Problem:

Kontinuierliche Expansion: Bereiche des Universums mit Winkelabständen > 1o bei Urknall nicht kausal verbunden (Informationsaustausch mit endlicher Lichtgeschwindigkeit)

Aber (COBE, WMAP): CMB isotrop bis auf O(10–5)

Flachheits-Problem:

Messung Energiedichte heute: Ω0 = ρ/ρkrit = 1,0052 ± 0,0064

Expansion: labiles Gleichgewicht bei Ω0 = 1 → heutiger Wert nur, wenn Ω(10–43 s) - 1 < 10–60!

6

-20

20 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.5

1

1–!(t)a(t)

Analogie: Kugel auf Bergrücken


Kosmische InflationKosmische Inflation (A. Guth, 1980):

10–34 s nach Urknall: kosmologische Konstante dominiert Energiedichte im Universum

Universum expandiert für kurze Zeit exponentiell:

Ursache: Vakuumenergie von neuem Quantenfeld („Inflaton”)?

Inflation Lösung für beide Probleme:

Horizont: Expansion vergrößert kausal zusammenhängende Gebiete → gesamtes sichtbares Universum vor Inflation kausal verbunden

Flachheit: Expansion „glättet” jede Raumkrümmung

7

H2 =!

aa

"2=

!3! a =

#!3

a! a(t) = C · exp

$#!3

· t

%


ΛCDM-KosmologieHeutiges Standardmodell der Kosmologie: „ΛCDM”

Flaches Universum

Inflation

Kosmologische Konstante Λ

Kalte dunkle Materie (cold dark matter, CDM)

Kompatibel mit allen Beobachtungen, aber offene Fragen:

Kandidaten für dunkle Materie (WIMPs? → Entdeckung am LHC?)

Ursache der kosmologischen Konstante?

Ursache der Inflation?

8

Kapitel 8.4

Experimente zu Dunkler Materie


WIMPs und SupersymmetrieWIMPs: schwere ungeladene Teilchen, stabil

WIMP-Kandidaten z.B. in Theorie der Supersymmetrie

Supersymmetrie = Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen (die letzte verbleibende Symmetrie)

Partnerteilchen zu jedem Standardmodellteilchen

Fermionen (Spin 1/2) → Spin-0-Partner („Squarks” und „Sleptonen”)

Eichbosonen (Spin 1) → Spin-1/2-Partner („Gauginos”)

Leichtestes supersymmetrisches Teilchen stabil → WIMP-Kandidat: neutrales Gaugino („Neutralino”)

10


DM-Suche an BeschleunigernSignatur am LHC: fehlende transversale Energie (ähnlich Neutrino)

Z.B. Kaskadenzerfall in Squark-Produktion

11

Squark

Neutralino

pp! q ¯q


DM-Suche ohne BeschleunigerIdee: WIMP-Wechselwirkung mit Atomkern und Elektron → Ionisation und Wärme durch Rückstoß

Beispiel CDMS-II (cold dark matter search):

Detektor in Soudan-Mine (Minnesota) → Abschirmung kosmische Strahlung

Ionisation und Rückstoß in Germanium- und Siliziumblocks bei 10 mK (gegen thermische Bewegung)

Bisher keine Hinweise auf WIMPs

12[http://cdms.berkeley.edu/]

CDMS-Detektormodul

Kapitel 9

Astroteilchenphysik


ÜberblickUntersuchung von teilchenphysikalischen Vorgängen im Universum

Quellen kosmischer Strahlung und Beschleunigungsmechanismen

Transport und Ablenkung durch interstellares Medium

Detektoren mit Methoden aus der Teilchenphysik

Luftschauerarrays

Gammastrahlenteleskope

Neutrinoteleskope

14

Kapitel 9.1

Energiespektrum der kosmischen Strahlung


Kosmische StrahlungEntdeckung (V. Hess, 1912):

Ballon in bis zu 5 km Höhe

Resultat: Gasionisation nimmt mit Höhe zu → „Höhenstrahlung”

Ca. 1/3 der natürlichen Strahlenbelastung am Erdboden

Quellen: Sonne, weitere intra- und extragalaktische Quellen

16


Energie geladener TeilchenDirekte Messung (< 105 GeV): Ballons, Satelliten, ISS

Absorption in Atmosphäre → große Höhen (>30 km)

Teilchenphysikdetektoren: Silizium, Kalorimeter, Cherenkov

Indirekte Messung (≥ 105 GeV): Luftschauerarrays

WW mit Atmosphäre: ausgedehnte Luftschauer

Großflächige Arrays → Sampling des Luftschauers

17

[www.auger.de]

Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10 18[www.astroteilchenphysik.de]


Pierre-Auger-ObservatoriumStandort: Malargüe (Argentinien)

Hybriddetektor:

1600 Wasser-Cherenkov-Detektoren (1,5 km Abstand) → 3000 km2 (> Saarland)

4 Detektoren für Fluoreszenz-licht aus Luftschauer

Messungen von Richtung, Energie und chemischer Zusammensetzung (Fe oder H)?

19[www.auger.de]


Energiespektrum

20

Schwerpunktsenergie wie bei LHC (14 TeV)

Ein Teilchen pro km2 und Jahr mit E > 109 GeV

[www.astroteilchenphysik.de]


EnergiespektrumUnterhalb von E = 10 GeV: Ablenkung durch Sonnenwind und Erdmagnetfeld

Oberhalb von 10 GeV: Intensität (= Teilchen pro Energie, Fläche, Raumwinkel und Zeit) folgt Potenzgesetz

→ Quellen nicht thermisch (Planck’sches Strahlungs-gesetz: exponentielle Intensitätsabnahme)

< 107 GeV: γ = 2.7

≥ 107 GeV: γ = 3.0 → „Knie” im Energiespektrum

≥ 4·109 GeV: γ < 3.0 → „Knöchel” im Energiespektrum

≥ 5·1010 GeV: „GZK-Cutoff”

21

I(E) =d4N

dE dAd!dt! E"!


EnergiespektrumKnie und Knöchel:

Ursache: keine eindeutige Lehrmeinung

Erklärungsversuche: Teilchen entkommen aus galaktischen Magnetfelder, Änderung des Beschleunigungsmechanismus

GZK-Cutoff (Greisen, Zatsepin, Kuz’min): ca. 5·1019 GeV

Protonen aus kosmischer Strahlung reagieren mit CMB-Photonen → resonante Produktion von Pionen

→ Teilchen mit höheren Energien müssen von Quelle mit Abstand < 75 Mpc stammen, um nicht absorbiert zu werden

Experimentell bestätigt (HiRes Fly’s Eye 2007, Auger 2008)

22

p+ ! ! !+! p"0 p+ ! ! !+! n"+


GZK-Cutoff

23

6

))-1

eV-1

sr-1 s

-2lg

(J/(

m

-37

-36

-35

-34

-33

-32

-31

E (eV)1810!3 1910 1910!2 2010 2010!2

72754172

26341804

1229824

561405

259171

10574

3119

117

1

1910!4

lg(E/eV)18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 20.2 20.4

)-1

-2.6

9J/

(Ax

E

-1

-0.5

0

0.5

1 Auger

HiRes I

FIG. 2: Upper panel: The differential flux J as a function of energy, with statistical uncertainties. Data are listed at [28]. Lower Panel: Thefractional differences between Auger and HiRes I data [3] compared with a spectrum with an index of 2.69.

the highest-energy region and from reductions of the systematic uncertainties in the energy scale which will allow the derivation

of a deconvolved spectrum.

Acknowledgments

We thank the technical and administrative staff in Malargue for their exceptional dedication and the following organisa-

tions for financial support: Comision Nacional de Energıa Atomica, Fundacion Antorchas, Gobierno De La Provincia de

Mendoza, Municipalidad de Malargue, NDM Holdings and Valle Las Lenas, in gratitude for their continuing cooperation

over land access, Argentina; the Australian Research Council; Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e Tec-

nologico (CNPq), Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro

(FAPERJ), Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Ministerio de Ciencia e Tecnologia (MCT),

Brazil; AVCR AV0Z10100502 and AV0Z10100522,GAAVKJB300100801, GACR 202/06/P006,MSMT-CR LA08016, LC527

and 1M06002, Czech Republic; Centre de Calcul IN2P3/CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Con-

seil Regional Ile-de-France, Departement Physique Nucleaire et Corpusculaire (PNC-IN2P3/CNRS), Departement Sciences de

l’Univers (SDU-INSU/CNRS), France; Bundesministerium fur Bildung und Forschung (BMBF), Deutsche Forschungsgemein-

schaft (DFG), Finanzministerium Baden-Wurttemberg, Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), Minis-

terium fur Wissenschaft und Forschung, Nordrhein-Westfalen, Ministerium fur Wissenschaft, Forschung und Kunst, Baden-

Wurttemberg, Germany; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Ministero dell’Istruzione, dell’Universita e della Ricerca

(MIUR), Italy; Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologıa (CONACYT), Mexico; Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Weten-

schap, Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Ma-

terie (FOM), Netherlands; Ministry of Science and Higher Education, Grant Nos. 1 P03 D 014 30, N202 090 31/0623, and

PAP/218/2006, Poland; Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Portugal; Ministry for Higher Education, Science, and Tech-

nology, Slovenian Research Agency, Slovenia; Comunidad de Madrid, Consejerıa de Educacion de la Comunidad de Castilla

La Mancha, FEDER funds, Ministerio de Educacion y Ciencia, Xunta de Galicia, Spain; Science and Technology Facilities

Council, United Kingdom; Department of Energy, Contract No. DE-AC02-07CH11359, National Science Foundation, Grant

No. 0450696, The Grainger Foundation USA; ALFA-EC / HELEN, European Union 6th Framework Program, Grant No.

MEIF-CT-2005-025057, and UNESCO.

[1] K. Greisen, Phys. Rev. Lett. 16, 748 (1966).

[2] G.T. Zatsepin and V.A. Kuz’min, JETP Lett. 4, 78 (1966).

Knöchel

GZK-Cutoff

[www.auger.de]


Hochenergetische PhotonenZiel: Suche nach Punktquellen (γ nicht abgelenkt)

Kosmische Photonen mit E > 100 GeV → Luftschauer mit Cherenkov-Kegel um Schauerachse

Beispiel: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System)

4 Spiegelteleskope in Hochebene nahe Gamsberg, Namibia

Nachweis des Cherenkov-Lichts

24

[http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/HESS.html]


Neutrino-AstronomieSuche nach Punktquellen kosmischer Neutrinos

Reaktion

Cherenkov-Licht des μ mit Photomultiplier nachweisen

Detektoren mit guten optischen Eigenschaften (= durchsichtig)

Wasser: Baikalsee, Antares (Mittelmeer),

Eis: AMANDA, IceCube (Südpol)

25[icecube.wisc.edu]

!µ +Kern! µ +X

Detektorvolumen: 1 km3

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