Vom Elementarteilchen zum Universum Verbindungen zwischen den Welten des ganz Kleinen und des ganz Großen

Transkript

1 Vom Elementarteilchen zum Universum Verbindungen zwischen den Welten des ganz Kleinen und des ganz Großen Werner Hofmann MPI für Kernphysik Heidelberg

2 Animationen erfordern spezielle Software und sind nicht enthalten!

3 Roberta Weir

4

5 Neue Horizonte der Teilchenphysik: Neutrinos - Geisterteilchen - aus der Sonne

6 Neue Horizonte der Teilchenphysik: Neutrinos - Geisterteilchen - aus der Sonne Die große Frage: Woraus besteht der Kosmos oder Die dunkle Seite des Universums

7 Reise zum ganz Kleinen

8 Up Quark Charm Quark Top Quark Down Quark Strange Quark Bottom Quark Elektron Myon Tau Elektron Neutrino Myon Neutrino Tau Neutrino Die Starke Kraft bindet Quarks zu Atomkernen Die Elektromagnetische Kraft bindet Atomkerne und Elektronen zu Atomen und Atome zu Kristallgittern oder Molekülen Die Schwache Kraft wandelt Quarks in andere Quarks um, und Elektronen in Neutrinos

9 Eichkräfte: Eleganz der Naturgesetze Kräfte folgen aus Invarianz der Naturgesetze unter Transformationen

10 Eichtransformationen: Transformationen interner Freiheitsgrade Kräfte ergeben sich aus Invarianz unter lokalen Eichtransformationen

11 aber

12 Abhilfe: antropisches Prinzip? from M. Tegmark

13 zum ganz Großen

14 R. Hurt

15 ACS Science Team, ESA, NASA

16 2dF Survey

17 Expansion des Universums Expansionsgeschwindigkeit: ca. 70 km/s / Mpc (Hubble-Parameter) durch die Expansion des Universums würden wir alle etwa einen Atomdurchmesser pro Jahr wachsen, wenn nicht M31 R. Gendler

18 zurück zum Anfang

19 (lange) vor der ersten Sekunde: Protonen und Neutronen entstehen in der ersten Minuten: die Elemente entstehen nach einigen Jahren: Atome entstehen Entstehung der Strukturen Nach etlichen 100 Millionen Jahren: Die Gravitationskraft gewinnt den Kampf gegen die Expansion des Universums ` aber

20 Ein erster Blick hinter die Kulissen des Standardmodells : Neutrinos aus der Sonne 2002: Davis & Koshiba

21 Eine Erfolgs-Story: ~ Neutrinos aus der ν/tag Sonne νe Ray Davis Cl + νe 37Ar + e(~ 1 Atom / Tag) Gallonen Tetrachlorethen in Mine, 1500 m tief

22 Eine Erfolgs-Story: Target: t Wasser Neutrinos aus der Sonne 40 m Ø, 40 m Höhe Bild der Sonne im Neutrinolicht 1000 m tief in Kamioka Mine Photomultiplier ν Masatoshi Koshiba e Masatoshi Koshiba

23 Ray Davis 100% Neutrino-Fluss von der Sonne 80% 60% Super-K (Koshiba) 40% 20% 0% Gallex Super-K Cl

24 Neutrino-Oszillationen? Elektron-Neutrino: induziert 37Cl Ar Myon-Neutrino: in radiochemischen Experimenten nicht sichtbar! Neutrinos haben eine Masse!

25 Neutrino-Oszillationen? Ein Teil der kanadischen strategischen Reserven an schwerem Wasser (D2O) Wert: 300 Millionen $ SNO: Sudbury Neutrino Observatory

26 νe Deuterium-Atome im SNO Tank ν p p n p ν n Neutrino-Fluss von der Sonne e Reaktion zählt nur νe 100% νe νµ ντ Reaktion zählt alle ν 80% 60% 40% 20% 0% νe Neutrinos wandeln sich auf dem Weg von der Sonne zur Erde um!

27 Neutrino-Oszillationen

28 Neutrino-Oszillationen leichtgemacht

29 Warum ist das so aufregend? sieben weitere {unverstandene} Zahlen, welche die Beziehung der drei Teilchengenerationen charakterisieren Up Quark Charm Quark Top Quark Down Quark Strange Quark Bottom Quark Elektron Myon Tau Elektron Neutrino Myon Neutrino Tau Neutrino

30 Warum ist das so aufregend? The Cosmic Connection Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie Materie-dominiertes Universum Sphaleron! Neutrinos haben eine Masse Die Zahl der Elektronen ist keine Erhaltungsgröße Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie (falls es mindestens 3 Neutrinogenerationen gibt) Materie-Überschuss (Leptogenese)

31 NASA

32 SonnenNeutrinos Dunkle Materie und Kosmologie Teilchenphysik Astroteilchenphysik Astrophysik

33 Eine Erfolgs-Story: Neutrinos aus der Sonne Die große Frage: Woraus besteht der Kosmos oder Die dunkle Seite des Universums 2006: Smoot & Mather

34 Sagittarius Region Hubble Space Telescope

35 Eagle Nebula T.A. Rector & B.A. Wolpa NOAO

36 das Universum muss aber noch mehr Materie enthalten

37 das Universum muss aber noch mehr Materie enthalten oder Einsteins Gravitationsgesetz stimmt nicht Dunkle Materie ist nicht sichtbar besteht nicht aus Quarks und Elektronen

38 Einige Minuten nach dem Urknall die Entstehung der Elemente Helium-4 Deuterium Helium-3 Lithium

39 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (NASA)

40 SN 1987 A explodierte vor Jahren!

41 Andromeda vor 2 Millionen Jahren

42 Urknall vor 13.7 Millarden Jahren

43 Urknall vor 13.7 Millarden Jahren Lichtwellen Mikrowellen

44 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (NASA)

45 Einige Jahre nach dem Urknall Das Universum is kalt genug (etwa 3000o), dass sich Kerne und Elektronen zu Atomen verbinden Das Universum wird damit transparent für Licht Vorher: Strahlung an Materie gekoppelt

46 Einige Jahre nach dem Urknall Das Universum is kalt genug (etwa 3000o), dass sich Kerne und Elektronen zu Atomen verbinden Das Universum wird damit transparent für Licht Vorher: Strahlung an Materie gekoppelt Seither: Strahlung breitet sich frei aus

47 Analogie: Sonne Die Energie der Sonne wird tief in ihrem Inneren erzeugt Aber wir sehen nur die leuchtende Oberfläche

48 MAP sieht Wellen im Urknall

49 Schwere Elemente: 0.03% Neutrinos: 0.3% Sterne: 0.5% Wasserstoff und Helium: 4% Dunkle Materie: 25% Dunkle Energie: 70%

50 Supersymmetrische Teilchen als Dunkle Materie Im Urknall erzeugt (mit bekannter Rate) wechselwirken mit normaler Materie nur über Gravitation und die schwache Wechselwirkung genau wie Neutrinos

51 Sie sind unter uns v 300 km/s einige 1000 pro m3 einige pro cm2 s DARK 2000

52 DM-Detektoren Rückstoss einige kev Raten: ~1 pro kg und Tag Wärme Ionisation / Ladung Szintillationslicht

53 CRESST Experiment (Gran Sasso Untergrundlabor) CaWO4 Kristalle bei 20 mk

54 R. Hurt

55 230 km/s 30 km/s

56 Das DAMA Experiment Nachweis rate Winter Sommer ein Jahr Zeit in Tagen

57 Der Urknall in Labor: Der Large Hadron Collider am CERN in Genf

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59 Erste Daten: 2008

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