Neue Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Transkript

1 Neue Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik A-Vorlesung, 3std., Di. 14:00 16:30 (mit 15 min Pause) Dozenten: W. Dünnweber, M. Faessler Skript: Vorlesungswebseite Inhalt (vorläufig): 15. April: Kosmologie im Überblick Aktuelle Fragen der Teilchenphysik 22. April (MF): Teilchennachweis 29. April (WD): Primordiale Nukleosynthese 6. Mai (WD): Elementsynthese in Sternen 20. Mai (MF): Struktur des Nukleons (Lepton-Nukleon Wechselwirkung; HERA, CERN, ) 27. Mai (WD): Neutrinos von der Sonne, aus der Atomsphäre und aus Supernovae 3. Juni (WD): Neutrino-Oszillationen 10. Juni (MF): Elektron-Positron-Vernichtung (LEP) 17. Juni (MF): e + e - Vernichtung, Fortsetzung Belle, Barbar und ILC 24. Juni (WD): Dunkle Materie 1. Juli (WD): Dunkle Materie und Dunkle Energie 8. Juli (MF): Antiproton-Proton, Proton-Proton bis Gold-Gold -Wechselwirkungen (Tevatron, RHIC) 15. Juli (MF): Geplante Experimente am Large Hadron Collider LHC Übungen: Dozent: M. Faessler Dienstags im Anschluß an obige (MF)-Vorlesungen Inhalt: Grundlagen der Teilchenphysik, ausführliche und vertiefte Wiederholung des Stoffs der PV-Kursvorlesung

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3 1. Kosmologie im Überblick A) Entfernungsmessung B) Expansion C) Entwicklung des Universums A. Entfernungsmessung 1 parsec (pc) = 3.3 ly (Lichtjahre) = 3x10 16 m a) Triangulation von Erdumlaufbahn aus -> bis 50 parsec b) Cepheid Variable Sterne mit periodisch variierender Helligkeit. Modell: Stehende Schallwellen in Atmosphäre: Expansion durch Strahlungsdruck, Kontraktion durch Gravitation (-> Rekombinationsstrahlung)

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7 B) Expansion Hubbles Gesetz Beobachtung (1929): Rotverschiebung, z.b. von Wasserstofflinien nimmt proportional zum Abstand der Galaxien zu. Zunächst als Dopplereffekt interpretiert (was für kleine Abstände zulässig ist, nicht aber für große Expansion des Raumes). Relativistische Dopplerverschiebung: z = λ λ Für v << c : z β = v/c. = 1+β 1 β 1 Hubbles Gesetz: v = H 0 d Abstand zweier Galaxien voneinander Hubble Konstante H 0 = (70 ± 10) km/s Mpc = x s 15 x 10 9 a (heutiger Wert, wächst wahrscheinlich mit t) Erklärung durch Expansion des Raums Die Metrik des Minkowski-Raums wird durch einen Skalenfaktor R(t) ergänzt. s 2 = (c t) 2 R(t) 2 ( x 2 + y 2 + z 2 ) Gilt fr flaches Universum (Spezialfall Krümmungsparameter = 0 der Robertson-Walker Metrik der Allg. Relativitätstheorie). d d Galaxien A B C t 2d 2d A B C V AB = V BC = d/ t, v AC = 2d/ t (Hubble) allgemein: Abstand l = R(t) d t R(t + t) d = l V = Ṙ d = Ṙ l R Hubblekonstante H ( = Ṙ R R Rotverschiebung:λ gemessen = heute λ emission z =: λgemessen λ emission λ emission z + 1 = R heute R emission R emission )

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14 a) heute ρ m (sichtbare Masse) = 0.5 GeV /m 3 = 1 2 Nukleon /m3 ρ r (Strahlung) = 0.25 MeV/m 3 = 4 x 10 8 Photonen/m 3 Nγ N Nukleon 10 9 Expansion: ρ m 1 R 3 ρ r 1 R 4 T 4 da λ R d.h. im Lauf der Expansion nimmt die Strahlungsenergiedichte schneller ab als die Materie- Energiedichte. Die (1/R 3 ) bzw (1/R 4 ) Proportionalität gilt allgemein für die Extremfälle nicht relativistischer bzw. relativistischer Teilchen. Da E = m 2 c 4 + p 2 c 2 sind diese Extremfälle für Nukleonen (m 2 c 2 dominant) bzw. Photonen (m=0) erfüllt. Zwischen diesen Extremfällen gibt es die Näherung ρ m = n m c n k T (mit n = Teilchenzahldichte). 2 Für die noch nicht nachgewiesenen kalten Urknall-Neutrinos erwartet man ca. n(= n(ν e ) + n(ν µ ) + n(ν τ ) + n( ν e ) + n( ν µ )n( ν τ )) 10 8 /m 3 und eine Temperatur von 2K, d.h. etwas unterhalb der Temperatur der Photonen (siehe Teil b)). Vermutung: ρ Dunkle Energie = 0.69 ρ crit ρ Dunkle Materie = 0.27 ρ crit ρ m = 0.04 ρ crit mit ρ crit = kritische Dichte für flaches Universum

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17 b) T 3000 K ˆ 1eV, T 5 x 10 5 y Photonen und Atome entkoppeln vorher: Atom (E x ) Atom(Grundzustand) + hν nachher: hν wegen Expansion zu klein nicht mehr in thermischem Gleichgewicht mit Materie ( Atome bilden sich) heutige 2.7 K Hintergrundstrahlung Strahlungs-Energiedichte nimmt mit 1 R 4 ab c) T ˆ= 100 kev, t 3min Nukleosynthese: n + p d + γ(2.2 MeV) nicht mehr mglich, da Photonenenergie zu klein d/p Verhltnis eingefroren, ebenso 4 He/p Boltzman Verteilung: 76 % H / 24 % He heutiger Wert (schwere Elemente bilden erst sich in Supernovae)

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19 Bei t 1s koppeln Neutrinos ab, weil danach freie Weglänge >> R Univ. (eigentlich: Reaktionsrate < Expansionsrate)

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