Klänge von Pikohertz bis Petahertz Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene

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1 Klänge von Pikohertz bis Petahertz Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene 1. Kosmologie: Die Mikrowellen vom Urknall 2. Dunkle Materie 3. Gekoppelte Neutrino-Pendel 4. Die Massen der Elementarteilchen Michael Kobel TU Dresden MNU Tagung Berlin

2 Strukturbildung im Universum MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation t = 0,2 Mrd. Jahre 20 Mio Lichtjahre t = 4,7 Mrd. Jahre 150 Mio Lichtjahre erste Sterne t = 1,0 Mrd. Jahre 50 Mio Lichtjahre t = heute 300 Mio Lichtjahre erste Galaxien

3 Ursprung der Dichteunterschiede Postulat: Aus Nachhall der Quantenfluktuationen des Urknalls, eingefroren durch Inflation (überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives Aufsammeln der Umgebung Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund

4 Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Strahlung breitet sich ungehindert aus Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis Jahre nach Urknall: Materie-Antimaterie Vernichtung in Photonen Plasma aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 1 : 0,06 : 1,12 : Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung Temperatur T > 3000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen

5 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre ( Jahre 80 Jahre) Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Schulanfang mit 6 Jahren Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo Sapiens

6 Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec B: 8 min C: 12 Monate D: ,000 Jahre

7 Analogie: Die Sonne Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig Innen: T > K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~ Jahren Ankunft nahe der Oberfläche Oberfläche (Photosphäre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

8 Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung 1999 BOOMERanG

9 Temperaturschwankungen Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 o C) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit) COBE

10 Mikrowellen als Babyfoto Cobe 1994 WMAP 2003

11 Nach Abzug unserer Milchstraße Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K heiße und kalte Flecken = dichte und dünne Gebiete genau wie bei Schall Klang des Universums

12 Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

13 Akustische Analogie II: Musikinstrumente

14 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

15 Vergleich der Akustischen Wellen p Schallgeschwindigkeit im Gas υ = ρ Frequenz f = υ λ Luft Universum Verhält. Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung + Gravitation (!) Dichte 3x10 25 Moleküle / m 3 3x10 8 Protonen / m 3 (bei Jahren) Zustandsgleichung Geschwindigkeit Wellenlänge pv κ = const. p ~ ρ κ v = κp/ρ = 340 m/s p = ⅓c 2 ρ v= c/ 3 =1,7x10 8 m/s 20 mm 20 m Lj Frequenz Hz ,4x10-13 Hz Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 phz!

16 Schallwellen vermessen Geometrie λ (Geometrie) = υ (1/ Dichte) f (Tonhöhe) Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen) Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) a e i o u Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF 6 ) Universum: Kenne v und f bestimme λ (Maßstab)

17 Geometrie der Raumkrümmung erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) Ω Ω = M / M flach Ω < 1 Ω = 1 negativ gekrümmt flach positiv gekrümmt Ω > 1 allgemeine Relativitätstheorie

18 Geometrie = Form des Universums Ω > 1 Ω = 1 Ω < 1 13,3 Mrd. Lichtjahre bekannter Maßstab λ - neg. gekrümmt -flach - pos. gekrümmt Ω = 1, ,006

19 Das Universum als Spiegelsaal? Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich! einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D 2D Visualisierung) 3D Visualisierung als Spiegelsaal

20 Möglicher Nachweis: circles-in-the sky Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle gleiche Muster gegenüber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) ) konsistent mit langwelligen CMB Pattern! Spektrum der Wissenschaft, Januar Beste Anpassung an CMB Daten: (Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008) Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre (große Unsicherheiten!)

21 Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie Ω atomare Materie (p,n,e): Ω B Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher, -- dämpft den ersten Oberton -- verstärkt den zweiten Oberton nichtatomare dunkle Materie (ν, ): Ω DM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten Oberton dunkle Energie: Ω V kosmologische Konstante Vakuumenergie unverdünnbar Ω = Ω B + Ω DM + Ω V = 1

22 Der Effekt von Gravitation (~Materiedichte) Veränderung der Amplitudenverhältnisse

23 Ergebnis 5% atomare Materie (Ω Β =0,05) 22% nichtatom. Materie (Ω DM =0,22) Summe: Ω=1,00 73% dunkle Energie (Ω V =0,73)!

24 Unabhängige Bestätigungen: Supernovae und Galaxiencluster =Ω V = Ω B + Ω DM

25 Zwischenbilanz Nur 27% des Universums ist Materie Ω m = Ω B + Ω DM = 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

26 Sind Neutrinos die Dunkle Materie? 1930: theoretische Einführung (Pauli) 1956: experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) Neutrinos: Singles des Universums schwach wechselwirkend: von schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

27 Unsere Sonne Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberfläche!

28 Der Überlichtknall der Neutrinos (Super)Kamiokande 50,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan ν e ν µ ν τ d u d n W - p e - u u d μ τ Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

29 Neutrinos aus der Sonne Kernfusion in der Sonne: 4p 4 He + 2e + + 2ν e + 27 MeV Energie auf der Erde: solare Neutrinos / cm 2 und Sekunde Produktion: 100% als ν e - Flavor ν e ν μ? ν τ? Davis ( ): ν e Nachweis auf der Erde Ergebnis: nur 30% der erwarteten ν e Bestätigung (1995) Kamiokande (Sonne live! im Neutrinolicht )

30 Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung dresden.de/animation.html (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) ν 3 = ( ν μ + ν τ )/ ν 2 = ( ν e + ν μ + ν τ )/ ν 1 = (2ν e + ν μ + ν τ )/ f 46/min P 3 43/min P 1 42/min P 2

31 Neutrino-Oszillationen als Schwebungen Anregung eines Pendels entspricht Flavor-Oszillationen der Neutrinos Abwechselnde Schwingung der Pendel Entspricht Schwebung des angeregten Pendels ( mal da, mal weg ) Schwebung umso schneller bei Pendel: je größer der Frequenzunterschied, d.h. je stärker die Kopplung k Neutrinos: je größer der Unterschied der Massen 2 Akust. Schwebung: je größer der Frequenzunterschied Quantitativ: Schwebungsperiode T Akust Schwebungen: (kleine Δf) Pendel: (kleine Δω 2 ) Neutrinos: T T T = = = f 2 f L c 2 2 f 2 f = 1 1 h = 4π Δω 4π Δω 4π E Δ 2 4 m c in Eigenzeit: T ' = L γc = h 4π m Δ 2 2 m c Physikalischer Grund: Phasenunterschied Δω Δ(m 2 ) folgt aus Entwicklung exp(iωt) = exp(iet) ~ exp(i(p+m 2 /2p+ )t) (h=c=1)

32 Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung Akustik Pendel Neutrinos Schallwelle Lineare Schwingung Kreisbewegung des Phasenzeigers Töne (feste Frequenz) Klang= Überlagerung der Töne Lautstärke ~Schallamplitude 2 Schwebungsfrequenz ~ Δf der Töne Feste Moden ( Eigenfrequenz) Ein Pendel = Überlagerung der festen Moden Energie des Pendels ~Schwingungsamplitude 2 Schwebungsfrequenz ~ Δf der festen Moden Massezustände ( Phasenfrequenz) Flavorzustand = QM-Mischung der Massenzustände QM-Nachweiswahrscheinlichkeit ~ Wellenfunktion 2 Flavor-Oszillation der Neutrinos ~ Δm 2 der Massezustände Größenordnung: ~Hz ~ Größenordnung: 0,01 Hz ~ 0,1 10 khz (Beobachter) ~ 0,1 10 THz (ν-eigenzeit)

33 Atmosphärische Neutrinos Primäre Kosmische Strahlen (Protonen, He ) L=10~20 km μ ± π ±, K ± ν μ e ± Im Idealfall ν μ : ν e = 2 : 1 ν μ ν e ν e und ν μ aus Luftschauern: Es fehlen keine ν e Es fehlen ν μ, umso mehr, je weiter der Weg Erklärung: ν μ ν τ

34 Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos Quantenphysik: Es gibt 3 Sorten von Neutrinos: ν e ν µ ν τ ( Pendel ) gekoppelt zu 3 stabilen Moden ν 1 ν 2 ν 3 kleiner Energieunterschied, abhängig von Kopplung Pendel: Frequenzunterschied Δf Neutrinos: Massenunterschied Δm 2 Anregung nur eines Pendels: Regelmäßige Oszillationen der Pendel, abhängig von Kopplung Bei Herstellung nur einer Neutrinoart: Regelmäßige Umwandlungen in die andere(n) Art(en) Bei Nachweis nur einer Neutrinoart: Neutrinos scheinen zu verschwinden, abhängig von Δm 2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen Δf

35 Derzeitige Meß-Werte Atmosphärische ν Myon-Neutrinos Solare + Reaktor ν Elektron-Neutrinos Δm 2 23 = 2,4 x 10-3 ev 2 Δm 2 12 = 0,08 x 10-3 ev 2 schnelle Oszillation L = 1 23 km E(MeV ) T = 3 μs E(MeV ) 23 E ~ MeV langsame Oszillation L = 30 km E(MeV ) 12 T = 90 μs E(MeV ) 12 E ~ 1 10 MeV L ij = 2 5m E( MeV 2 Δm ( ev ) ). 2 ij m eff (ν μ ) = mev m eff (ν e ) = mev ' T = 0, 1 1 ps 23 ' T = 0, 3 30 ps 12 ' f = 1 10 THz 23 ' f = 0, 03 3THz 12 Noch nicht gemessen: schnelle Oszillationen bei Reaktor-Neutrinos mit möglichen Werten der Schwebungsfrequenz f 13 bis zu 0,1 PHz

36 Erklärung der Messungen Sonnenneutrinos: weniger ν e wegen Oszillation ν e ν µ, τ Atmosphärische Neutrinos: weniger ν µ wegen Oszillation ν µ ν τ Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden ν 1 ν 2 ν 3 Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m 2 messbar!) Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < Ω ν < 3% erklärt nur kleinen Teil der dunklen Materie Animation: Ch. Weinheimer

37 Offene theoretische Fragen 3 Familien von Elementarteilchen Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei? Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Beispiel: Symmetrie der starken Farb ladung im Neutron Gluonen sorgen für f r Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien? Weitere Symmetrien? z.b: Supersymmetrie SUSY zwischen Baustein- und Botenteilchen?

38 Andere Kandidaten für f r Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösenl Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation Verständnis großer Zahlenverhältnisse ltnisse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca( 3000 /m 3 )? stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung möglich m bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN

39 Masse (MeV/c²) Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer ,1 1 0,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E , ? 2 0,5 90 0, , x10 5 2x Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino Familie

40 Die Bedeutung der Teilchenmassen Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien Bindungsenergie steigt mit m e Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): m d -m u, m d - m e 40

41 Auswirkung von Änderungen Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von m u,m d oder m e hätte kaum Effekt auf Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte Ω Β riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m e auf MeV/c 2 Leben: 30m große e Riesenwesen auf Titan? Erniedrige m d m e um 1 MeV/c 2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d m u um 2 MeV/c 2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, γ, ν) p n W - e - ν e

42 Animation: Was wäre wenn Tatsächlicher Ablauf Kleinere W-Masse Kleinere d-quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, k wie ihre Werte zustande kamen. R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life (1996) ph/ V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) ph/ v2 C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007)

43 Leeres Vakuum Anschaulich Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit. Higgshintergundfeld Teilchen werden durch WW mit dem Higgs-Hintergrund Hintergrund-Feld verlangsamt. Teilchen erhalten effektiv eine Masse. Wert hängt h von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab. Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts!

44 Der Large Hadron Collider ~8 km CERN Hauptgelände SPS Beschleuniger CERN- Prevessin Frankreich Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) Michael Kobel MNU Tagung

45 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 Michael Kobel MNU Tagung

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47 Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10 Michael Kobel MNU Tagung

48 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E = mc 2 = 1TeV) Entwicklung des Universums von 0, s bis 0, s nach dem Urknall Michael Kobel MNU Tagung

49 20 Dipole pro Woche installiert Beendet: Anfang 2008 Erster Strahl: Zwischenfall während Test des letzten Sektors bei 8000 A Stand des LHC Projekts Michael Kobel MNU Tagung

50 Neustart ab Oktober 2009 Supraleitung bei -271 o C ohne Widerstand und Wärme Eine von ~10000 Verbindungen hatte winzigen Widerstand Wird normalleitend Lichtbogen Schmilzt Hülle des Heliumtanks 6t Helium verdampfen in < 1 sec Druckwelle zerstört oder verschiebt Magnete auf mehrere 100m Länge Michael Kobel MNU Tagung

51 Higgssuche bei LEP

52 Higgs Suche bei ATLAS und CMS Higgs Masse unbekannt: Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche m Zerfälle Nach Jahren gut verstandener Daten: Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden

53 Massenmechanismus ohne Higgs? Standardmodell ohne Higgs verletzt Wahrscheinlichkeit < 1 1 W W NEUE PHYSIK W W Higgs wird bei LHC gefunden, wenn es existiert! Wenn nicht, muß der LHC etwas anderes finden! ( win( win-win ) Die Suche nach dem Ursprung der Masse wird in wenigen Jahren enden Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach (LHC+ILC) Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Teilchenmassen

54 Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft:

55 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 Akustik sind eng verknüpft

56 Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten) Dieser Talk auf: (Projekt: Outreach) Harald Lesch / Jörn Müller Kosmologie für Helle Köpfe (Goldmann Taschenbuch, 2006) Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies (mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004) Kosmologie und Teilchenphysik generell Das Weltall, Welt des Allerkleinsten Physik am LHC Teilchenphysik für die Schule und_lernmodule/ (nächste Veranstaltungen: Februar 2010!)

57 Institut für Kern- und Teilchenphysik erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält Wissenschaftskommunikation: Internationale Teilchenphysik Masterclasses Internationales Programm für Schüler (16-18) Einführung in Teilchenphysik Arbeiten und Messen an echten Daten als Forscher für einen Tag Zentral koordiniert in Dresden für über 5000 Schüler 80 Institute 22 Länder (incl. USA, Brasilien, Südafrika) Internationale Videokonferenz in English Kombination, Diskussion, Fragen Rolle der Wissenschaftler Einführungsvorträge Betreuung der Messungen

58 Institut für Kern- und Teilchenphysik erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält Netzwerk Teilchenphysik Deutschlandweite Bildungs-Initiative ab ~2009, angekündigt von Frau Ministerin Schavan bei Eröffnung der Ausstellung Weltmaschine M. Kobel, TU Dresden, S. Schmeling, CERN, T. Trefzger, Uni Würzburg, M. Walter, DESY Zeuthen

59 Institut für Kern- und Teilchenphysik erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält Mehr info Lehrerfortbildung Astroteilchenphysik veranstaltet von DESY, Zeuthen Kontakt: Ort: voraussichtlich Potsdam, Telegrafenberg Zeit: November 2009 Thema: u.a. Messung Kosmischer Strahlung (physik.begreifen) Aktuelle Forschung