Peter Braun-Munzinger

Transkript

1 Peter Braun-Munzinger

2 Inhalt Urknall Expansion des Universums Temperaturentwicklung Frühe Urknall-Materie Urknall im Labor Ausblick Ultrarelativistische Schwerionenstösse Quark-Gluon Materie Resultate RHIC Experiment ALICE am LHC

3 M100 Spiral Galaxie 50 Millionen LJ

4 Zurück zum Urknall Natur Quark-Gluon Nukleonen Kerne Plasma Atome Heute Urknall 10 6 sec Experiment 10 4 sec 3 min 15 Mil Jahre

5 Evidenz für den Urknall Hubble Expansion Kosmische Hintergrundstrahlung Elementsynthese im frühen Universum Entstehung von Galaxien und ausgedehnten Strukturen im All Erzeugung von Quark-Gluon Materie im Labor

6 Gibt es Evidenz für die Expansion des Universums? Messung der Fluchtgeschwindigkeit von Sternen über die Rotverschiebung der Spektrallinien Messung der Distanz über die Helligkeit variabler Sterne (Cepheiden) und spezieller Supernovae

7 NGC 4603 Die am weitesten entfernte Galaxie in der man Cepheiden beobachtet hat.... Diese veränderlichen Sterne geben ein Mass für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums.

8 Expansion des Universums V=H D E. Hubble, 1924 <H> = 70 km/s Mpc = 1/ Jahre Sterne und Galaxien bewegen sich von der Erde weg mit umso grösserer Geschwindigkeit (V) je grösser ihr Abstand (D) ist

9 Die Hubble Konstante, WMAP Bestimmung Februar 2007, H(0) = 73 +/- 2 km/(s Mpc)

10 Urknall Konstante Expansion impliziert, dass das Universum vor ca 15 Milliarden Jahren in einem Punkt startete. Dauer der Expansion = 15 Milliarden Jahre D/V = 1/H

11 Wie wird die Temperatur bestimmt? Aus der Spektralverteilung der Strahlung, d.h. aus der Intensität als Funktion der Wellenlänge Für die Sonne mit Photonen (Licht) im sichtbaren Bereich Für das Weltall heute mit Mikrowellen (kosmische Hintergrundstrahlung)

12 Messung der Temperatur an der Sonnenoberfläche Intensität Photonen Spektrum M. Planck 1900 Wellenlänge (nm) Aus Intensität und Wellenlänge des Sonnenlichts T = 6000 K Dichte = Photonen/cm3

13 Messung der Temperatur im All Intensität Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung Penzias und Wilson 1965 Wellenlänge (cm) Aus Intensität und Wellenlänge der Mikrowellen-Hintergrund Strahlung T = ± K Dichte = 400 Photonen/cm3

14 Temperaturverteilung im Universum -- WMAP Experiment

15 heute Bestandteile des Universums vor 13.7 Mill. Jahren

16 Wieweit kann man den Urknall zurückverfolgen? Heute Hubble Expansion Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung Entstehung der Galaxien Materie dominiert Nukleosynthese Quark-Gluon Materie Quark zu Hadron Phasenübergang Elektroschwacher Phasenübergang

17 Wie kann man den Materiezustand, der 10 Mikrosekunden nach dem Urknall existierte, produzieren und untersuchen? Mit Schwerionen-Kollisionen bei ultrarelativistischen Energien

18 Heavy Ion Collisions

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20 Der Teilchen-Zoo

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22 Nukleon confinement de-confinement Kern Quark-Gluon Materie

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24 4x1012 Quark-Gluon Plasma Temperatur (K) 3x10 3x x1012 Kernmaterie 1x x 1018 Dichte (Kg/m3) 2 x 1018

25 Vor dem Stoss Normale Kernmaterie ρ0 = 0.17 /fm3 ε0 = 0.16 GeV/fm3 Kompression und Heizen Quark-Gluon Materie Quark-Gluon Plasma Feuerball Expansion und Entkopplung Zeit Erzeugung erwartet bei ρ = 1.2 /fm3 ε = 3 GeV/fm3 Nicht wechselwirkende Elementarteilchen

26 Feuerball Pion Kaon Elektronen Paar Photon Lambda J/Psi Die Eigenschaften des Feuerballs kann man durch die Messung der emittierten Teilchen bestimmen.

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28 SPS : S and Pb ; up to s =20 GeV/nucl pair hadrons, photons and dileptons LHC : starting 2009 Pb ; up to s = 5.5 TeV/nucl pair ALICE ATLAS CMS experiments AGS : Si and Au ; up to s =5 GeV /nucl pair only hadronic variables RHIC : 2000 Au ; up to s = 200 GeV /nucl pair hadrons, photons, dileptons, jets

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30 Messung der Temperatur eines Feuerballs aus dem Schwerionenstoss Pionen Spektrum Intensität Abfallkonstante T = 100 MeV Abfallkonstante proportional zur Temperatur Energie Aus Intensität und Energie der ausgestrahlten Pionen T = 100 MeV T = 1012 K mal heißer als im Inneren der Sonne!

31 Thermische Energie kann auch zur Besetzung von angeregten Zuständen oder zur Production neuer Teilchen führen Äquivalenz Energie <=> Masse Häufigkeit ~ m 3/2 e - m/t Die gemessenen Teilchenhäufigkeiten erlauben die Bestimmung von Temperatur und Dichte beim Zeitpunkt der Produktion hadronischer Teilchen

32 Häufigkeit ~ m 3/2 e - m/t Teilchen Multiplizität 1000 π N K Die gemessene TeilchenMultiplizität kann man verstehen, wenn alle Teilchen gemeinsam bei einer Temperatur von 170 MeV produziert werden. Λ K0 K- η N 10.0 Ξ φ Λ 1.0 Ω Ξ T = 170 MeV Ω Masse (GeV) 1.6

33 Beschreibung in einem vollständigen thermischen Modell at SPS Bestimmung der Temperatur und Dichte zur Zeit der Teilchenproduktion T = 170 MeV µ B = 266 MeV

34 Zukunft RHIC am BNL laeuft seit 11 Jahren LHC am CERN ab 2009 GSI FAIR ab 2018

35 Relativistic Heavy Ion Collider BRAHMS PHOBOS PHENIX RHIC STAR

36 Au on Au Event at CM Energy ~ 130 A-GeV Central Event

37 Beschreibung in einem vollständigen thermischen Modell beim RHIC Bestimmung der Temperatur und Dichte zur Zeit der Teilchenproduktion T = 175 MeV µ B = 41 MeV T = 177 MeV µ B = 29 MeV

38 neueste Resultate: vollstaendige Beschreibung der Teilchenproduktion A. Andronic, pbm, J. Stachel arxiv: Peter Braun-

39 Evidenz fuer Phasenuebergang wie Wasser kocht hadronische Materie bei fester Temperatur Tlim = 160 MeV = 2 x 1012K experimentelle Bestimmung der Phasengrenze Peter Braun-

40 Phasendiagramm RHIC

41 Large Hadron Collider LHC am CERN Energie in einer Blei-Blei Kollision 1150 TeV = 0.18 mj Faktor 300 höher als in SPS Experimenten sehr heisser Feuerball! T = 1000 MeV

42 Large Hadron Collider LHC am CERN Energie in einer Blei-Blei Kollision 1150 TeV = 0.18 mj Faktor 300 höher als in SPS Experimenten sehr heisser Feuerball! T = 1000 MeV

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49 Teilchenidentifizierung in der TPC

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51 THE END