Wieviele Dimensionen hat die Welt ?

Prof. Carlo Ewerz

ExtreMe Matter Institute EMMI, GSI &Universität Heidelberg

Weltmaschine Darmstadt, 3. September 2011

by D

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by D. Samtleben

by D. Samtleben

Rätselhafte Gravitation

• Warum ist die Gravitation so schwach?

andere Wechselwirkungen: Faktor 10 - 100

Elektrische und Gravitationskraft wären gleich groß, wenn Elektron -mal größere Masse hätte.

→ Planck-Masse

entspricht

→ Planck-Länge

Am LHC erreichbar:

1022

1019 GeV/c2

10−35 m

10−19 m

Elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung lassen sich durch Quantentheorie beschreiben → Standardmodell

Aber: Für Gravitation ist das nicht möglich!

→ String-Theorie als einziger Kandidat für Vereinheitlichung

Aber: Das geht nur in 10 Dimensionen!

Lösung:

Kompaktifizierung auf Radius !10−35 m

Beispiel: Gartenschlauch

Gravitation in höheren Dimensionen

3 Raumdimensionen:

Feldlinien

4 Raumdimensionen:

→ In mehr Dimensionen wird die Gravitation schon bei „größeren“ Abständen so stark wie die elektrische Kraft.

→ Vereinheitlichung bei möglich!10−19 m

„Große“ Extra-Dimensionen... aber das Gravitationsgesetz ist doch .

→ Aber nur bei großen Abständen!

1

R2

Wieviel Extra-Dimensionen sind möglich?

(Es gibt auch noch kompliziertere Möglichkeiten mit einer Extra-Dimension.)

All dies ist überprüfbar!

→ Suche nach Abweichungen vom bekannten Gravitationsgesetz!

δ=1: L ≈ Abstand Sonne - Erde→ zu groß!

δ=2: L ≈ 1 mm möglich(vielleicht gerade noch ...)

Warum sehen wir davon nichts?Unser Universum ist eine 3-dimensionale Membran! Alles außer der Gravitation kann sich nur auf der Membran bewegen.

bzw. im Großen:

→ Energie kann als Gravitonen in die Extra-Dimensionen abgegeben werden!

Sagenhafte Möglichkeiten

Parallel-Universen ?!

Parallel gefaltetes Universum ?!

→ beobachtbare Konsequenzen!

• mögliche Erklärung für Dunkle Materie, ...

Urknall und Extra-Dimensionen?

Urknall: vor 13.7 Milliarden Jahren haben Raum und Zeit begonnen

Die Geschichte des Universums

Licht vom Anfang des Universums

Urknall als Kollision mit einem Parallel-Universum

ekpyrotisches (zyklisches) Universumfrom Science News

Und das soll ich glauben?

Glauben: andere Fakultät!

In der Naturwissenschaft entscheidet das

Experiment!

Naturwissenschaftliche Methode

heute zusätzlich:früher:

Naturwissenschaftliche Erkenntnis basiert nicht auf Glauben oder

Mode.

Die Erkenntnisse und Messungen werden immer weiter verbessert.

Physikalische Erkenntnisse werden nicht plötzlich "falsch".

Katie Melua

Katie Melua

Nine Million Bicycles

Katie Melua

Nine Million Bicycles

We are twelve billionlight years from the edge.That's a guess, No one can ever say it's true,But I know thatI will always be with you.

Simon Singh

Nine Million Bicycles

We are twelve billionlight years from the edge.That's a guess, No one can ever say it's true,But I know thatI will always be with you.

Simon Singh

the guardian, Friday, 30 September 2005:

Katie Melua's bad science

Simon Singh

Nine Million Bicycles

We are 13.7 billion light years fromthe edge of the observable universe,That's a good estimate withwell-defined error bars,And with the available information, I predict that I will always be with you.

Katie Melua

Nine Million Bicycles

We are 13.7 billion light years fromthe edge of the observable universe,That's a good estimate withwell-defined error bars,And with the available information, I predict that I will always be with you.

Kann man das denn auch testen?

Experimente am LHC !!!

→ Proton-Proton Streuung bei 14 TeV

LHC

• 27 km Umfang, 100 m unter der Erde

• 1232 Dipolmagnete

• Magnete supraleitend, mit flüssigem Helium gekühlt (-271,3 ⁰C)

• 700 000 Liter Helium im Einsatz

LHC

• Energie in den Protonstrahlen: wie zwei ICE-Züge mit 150 km/h

• Energie pro Proton-Proton-Kollision: wie zwei Mücken

• Geschwindigkeit der Protonen: 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit

LHC

• Protonen machen 11245 Umläufe pro Sekunde

• 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde

• Protonenstrahlen sind 35 μm dünn

• erzeugte Datenmenge: 15 000 000 GB pro Jahr (∼ Stapel von CDs mit 20 km Höhe)

Wie man einen Detektor baut... (z.B. ATLAS)

Kann man das denn auch testen?Experimente am LHC !!!

→ Proton-Proton Streuung bei 7 TeV (später: 14 TeV)

Dabei möglich:

Erzeugung von Gravitonen und mikroskopischen schwarzen Löchern

Verschiedene Signaturen:

• fehlende Energie

• Vertexversatz

• typische Ereignisse wie z.B. resonante Gravitonerzeugung

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1460 1480 1500 1520 1540

SM

Signal

e+e- Pair Mass (GeV)

Even

ts/4

GeV

typisches Signal einer Gravitonresonanz:

aus: B.R. Webber, „How to find the fifth dimension“

Zerfall eines Mini Schwarzen Lochs (Simulation)

Extra-Dimensionen: erste Resultate vom LHC

Ein Ereignis mit 10 Jets! Ein Mini Schwarzes Loch??

Extra-Dimensionen: erste Resultate vom LHC

Ein Ereignis mit 10 Jets! Ein Mini Schwarzes Loch??

Extra-Dimensionen: erste Resultate vom LHC

Bisher kein Nachweis von schwarzen Löchern!

Die Suche nach Extra-Dimensionen geht weiter... mit mehr Daten und mehr Energie!

(GeV)TS2000 2500 3000 3500 4000

Even

ts /

100

GeV

-110

1

10

210

310

410 4!N

DataBackgroundUncertainty

= 4.5 TeV, n = 6 minBH = 1.5 TeV, MDM

= 4.0 TeV, n = 4 minBH = 2.0 TeV, MDM

= 3.5 TeV, n = 2 minBH = 2.5 TeV, MDM

CMS Preliminary-1 = 7 TeV, 1.09 fbs

b)

(TeV) minBHM

2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

(pb)

!-310

-210

-110

1

10

210

CMS Preliminary-1 = 7 TeV, 1.09 fbs

Non-rotating Black Holes = 2.5 TeV, n = 2DM = 2.0 TeV, n = 4DM = 1.5 TeV, n = 6DM

Theoretical Cross Section = 2.5 TeV, n = 2DM = 2.0 TeV, n = 4DM = 1.5 TeV, n = 6DM

Danke für Ihr Interesse!