Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene

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Carsten Küchler
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1 Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene 1. Der kosmische Mikrowellenklang 2. Neutrinos als Dunkle Materie? - Nachweis von Neutrinos und ihres Flavors - Neutrino- Flavoroszillationen als Schwebung - die Massen(differenzen) der Neutrinos Michael Kobel TU Dresden Lehrkräfte-Stammtisch

experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) Neutrinos:

000.000 Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m

2 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 Ł wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn Mal leichter als Protonen!!! aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

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

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

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

6 Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) n 3 = ( - n m + n t )/ n 2 = (-n e + n m + n t )/ n 1 = (2n e + n m + n t )/ f 46/min P 3 43/min P 1 42/min P 2

7 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 Df) Pendel: (kleine Dw 2 ) Neutrinos: T T T = = = f 2 f L c f 2 - f = in Eigenzeit: Physikalischer Grund: Phasenunterschied Dw ~ D(m 2 ) folgt aus Entwicklung exp(iwt) = exp(iet) ~ exp(i(p+m 2 /2p+ )t) 1 1 =» 4p Dw 4p Dw 4p E h D 2 4 m c T ' = L gc = h 4p m D 2 2 m c ( h = c = 1)

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

e = 2 : 1 n m n e n e und n m aus Luftschauern: Es fehlen

9 Atmosphärische Neutrinos Primäre Kosmische Strahlen (Protonen, He ) L=10~20 km m p, K n m e Im Idealfall n m : n e = 2 : 1 n m n e n e und n m aus Luftschauern: Es fehlen keine n e Es fehlen n m, umso mehr, je weiter der Weg Erklärung: n m n t

10 Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos 3 Flavor-Zustände: n e n µ n t (= einzelne Pendel) gemischt zu 3 Massenzuständen n 1 n 2 n 3 (= stabile Moden) kleiner Energieunterschied, abhängig von Kopplung Pendel: Frequenzunterschied Df Neutrinos: Massenunterschied Dm 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 Dm 2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen Df

11 Derzeitige Meß-Werte Atmosphärische n Myon-Neutrinos Solare + Reaktor n Elektron-Neutrinos Dm 2 23 = 2,4 x 10-3 ev 2 Dm 2 12 = 0,08 x 10-3 ev 2 schnelle Oszillation L km 23= 1 E(MeV ) T = 3 ms E(MeV ) 23 E ~ MeV langsame Oszillation L = 30 km E(MeV ) 12 T = 90 ms E(MeV ) 12 E ~ 1 10 MeV L ij = 2 5 E( MeV 2 Dm ( ev ) ). m 2 ij ' T = 0, 1 1 ps 23 - ' T = 0, 3 30 ps 12 - ' f = 1 10 THz 23 - ' f = 0, 03 3THz gemessen (Daya Bay): schnelle Oszillationen bei Reaktor-Neutrinos mit Werten der Schwebungsfrequenz f 13 bis zu 0,1 PHz

12 How to detect reactor neutrinos + n e + p fi e + n prompt signal E v 0.8 MeV delayed signal n + p fi d + g (2.2MeV)

13 Ideal situation for Kamioka

14 Most recent KamLAND result (2008) Precision Measurement of Neutrino Oscillation Parameters with KamLAND, Phys.Rev.Lett.100:221803,2008 L 0 is the effective baseline = flux-weighted average of distance = 180km

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

Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu

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

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

17 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-?) 73% der Gesamtenergie steckt in dunkler Energie, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Akustik sind eng verknüpft

18 Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten) Dieser Talk (ab morgen) 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 Pendel als Model für Neutrino-Flavoroszillationen

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