Wie hell leuchtet der Urknall?

Transkript

1 HGS-HIRe Helmholtz Graduate School for Hadron and Ion Research Wie hell leuchtet der Urknall? Bjørn Bäuchle 22. April 2010 Stipendiatentreffen Deutsche Telekom Stiftung

2 Hochenergie-/Schwerionenphysik Untersuchung von der innersten Struktur der Materie Aus welchen Teilchen besteht die Materie? Welche weiteren Teilchensorten gibt es? Wie verhalten sich diese Teilchen in großen Ensembles? Wie verhielt sich die Materie kurz nach dem Urknall? Schwerionenphysik Schießt große Atomkerne aufeinander: Kollektive Effekte, Temperatur, Dichte Hochenergiephysik Schießt kleine Atomkerne aufeinander: elementare Prozesse, neue Teilchen

3 Hochenergie-/Schwerionenphysik Untersuchung von der innersten Struktur der Materie Aus welchen Teilchen besteht die Materie? Welche weiteren Teilchensorten gibt es? Wie verhalten sich diese Teilchen in großen Ensembles? Wie verhielt sich die Materie kurz nach dem Urknall? Schwerionenphysik Schießt große Atomkerne aufeinander: Kollektive Effekte, Temperatur, Dichte Hochenergiephysik Schießt kleine Atomkerne aufeinander: elementare Prozesse, neue Teilchen

4 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Ganzes Universum

5 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Ganzes Universum Galaxie L = m

6 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Ganzes Universum Mensch Galaxie L = 1 m L = m

7 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Haar Ganzes Universum Mensch L = 10 4 m Galaxie L = 1 m L = m

8 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Haar Ganzes Universum Mensch L = 10 4 m DNA L = 10 8 m Galaxie L = 1 m L = m

9 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Haar Atome Ganzes Universum Mensch L = 10 4 m DNA L = 10 8 ml = m Galaxie L = 1 m L = m

10 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Haar Atome Ganzes Universum Mensch L = 10 4 m DNA Atomkerne L = 10 8 ml = m Galaxie L = m L = 1 m L = m

11 Wie innen ist das Innerste? Kosmischer Hintergrund Haar Atome Ganzes Universum Mensch L = 10 4 m DNA Atomkerne Quarks & Gluonen L = 10 8 ml = m Galaxie L = m L < m L = 1 m L = m

12 Warum dieser Aufwand? Höhere Energien kleinere Strukturen (Quantenmech: Auflösung λ = c /E) größere Massen (Relativitätstheorie: E = mc 2 ) Hohe Temperaturen (Thermodynamik: E = 3 /2k B T)

13 Quarks tragen Farbe Welche Eigenschaften hat Farbe? Es gibt drei Grundfarben: Rot, Grün und Blau. Alle anderen Farben können daraus gemischt werden Alle drei Farben zusammen geben weiß. Zu den Grundfarben gibt es komplementäre Farben: Gelb, Türkis und Magenta

14 Quarks tragen Farbe Welche Eigenschaften hat Farbe? Es gibt drei Grundfarben: Rot, Grün und Blau. Alle anderen Farben können daraus gemischt werden Alle drei Farben zusammen geben weiß. Zu den Grundfarben gibt es komplementäre Farben: Gelb, Türkis und Magenta Welche Eigenschaften haben Quarks? Es gibt drei grundsätzlich verschiedene Zustände, alle realen Quarks können daraus erzeugt werden: Farbladungen Alle drei Farben zusammen = ein (farb)neutrales Teilchen Zu allen drei Farben gibt es eine Antifarbe, Farbe+Antifarbe ist wieder (farb)neutral. Deswegen heißt die Theorie der Quarks Quantenchromodynamik

15 Wie verhalten sich farbgeladene Teilchen? Die starke Kraft Die starke Kernkraft wirkt zwischen farbigen Teilchen Die Kraft wird stärker, wenn der Abstand größer wird Man braucht viel Energie, um Teilchen auseinanderzuziehen Wenn genug Energie aufgewendet wurde, entstehen neue Teilchen (E = mc 2 ) Die neuen Teilchen verteilen sich so, dass sie wieder Farbneutralität herstellen! Nur farbneutrale Teilchen können alleine existieren! b b b g r g r b r r b b b g b g

16 Plasma! Farbbefreiung ( color deconfinement ) Wenn man viele farbgeladene Teilchen nahe beieinander hat, können sich Farbladungen frei bewegen! Große Dichten oder große Temperaturen Quarks (und Gluonen) werden frei Man hat ein Quark-Gluonen-Plasma

17 Warum hohe Temperaturen? Neue Phasen der Materie Wasser

18 Warum hohe Temperaturen? Neue Phasen der Materie Wasser Kernmaterie, Urknallmaterie Quark-Gluonen-Plasma Temperatur T?Flüssig/Gas Kernteilchengas 230 kt /mm 3 Farbsupraleiter Dichte ρ

19 Warum hohe Temperaturen? Neue Phasen der Materie Wasser Temperatur T Kernmaterie, Urknallmaterie Quark-Gluonen-Plasma ρ = 0, T 2 Billiarden Grad: Schneller Übergang ρ =?, T =?: Kritischer Punkt? hohe Dichte: Phasen- Übergang 1. Ordnung? Flüssig/Gas Kernteilchengas 230 kt /mm 3 Farbsupraleiter Dichte ρ

20 Nur Endprodukte messbar! 1. Teilchen werden beschleunigt

21 Nur Endprodukte messbar! 1. Teilchen werden beschleunigt 2. Kollision passiert. Siehe Film...

22 Nur Endprodukte messbar! 1. Teilchen werden beschleunigt 2. Kollision passiert. Siehe Film Endprodukte kommen in den Detektor 4. Rückschlüsse auf die Kollision nötig Gute Simulationen notwendig (NA49)

23 Nur Endprodukte messbar! 1. Teilchen werden beschleunigt 2. Kollision passiert. Siehe Film Endprodukte kommen in den Detektor 4. Rückschlüsse auf die Kollision nötig Gute Simulationen notwendig (ALICE)

24 Nur Endprodukte messbar! 1. Teilchen werden beschleunigt 2. Kollision passiert. Siehe Film Endprodukte kommen in den Detektor 4. Rückschlüsse auf die Kollision nötig Gute Simulationen notwendig (HADES)

25 Nur das Ende messbar? Nur Endprodukte messbar = Nur das Ende messbar? Ende ist immer ähnlich Nicht viel neues zu lernen Man muss Dinge finden, die vom Anfang übrigbleiben!

26 Nur das Ende messbar? Nur Endprodukte messbar = Nur das Ende messbar? Ende ist immer ähnlich Nicht viel neues zu lernen Man muss Dinge finden, die vom Anfang übrigbleiben! Zwei Strategien a) Suche Strukturen in den Endteilchen, die vom Anfang stammen b) Suche Teilchen, die vom Anfang stammen

27 Meine Arbeit Teilchen, die übrig bleiben Die meisten Teilchen, die am Anfang produziert werden, werden wieder absorbiert Lichtteilchen (Photonen) aber nicht! Es gibt nur wenige Lichtteilchen...

28 Zusammenfassung Große Atomkerne werden aufeinander geschossen Kernmaterie wird aufgeheizt Endprodukte kommen in den Detektor Gute Modelle notwendig!

29 Zusammenfassung Große Atomkerne werden aufeinander geschossen Kernmaterie wird aufgeheizt Endprodukte kommen in den Detektor Gute Modelle notwendig! Meine Gruppe simuliert Kern-Kern-Kollisionen Ich errechne in diesen Simulationen die Anzahl und Verteilung der ausgesandten Lichtteilchen Nach Simulationen: Vergleich mit Experiment notwendig!

30 Zusammenfassung Große Atomkerne werden aufeinander geschossen Kernmaterie wird aufgeheizt Endprodukte kommen in den Detektor Gute Modelle notwendig! Meine Gruppe simuliert Kern-Kern-Kollisionen Ich errechne in diesen Simulationen die Anzahl und Verteilung der ausgesandten Lichtteilchen Nach Simulationen: Vergleich mit Experiment notwendig! Nicht erzählt Wie sehen meine Ergebnisse aus? Was sind meine Schlussfolgerungen? Was sind Farbsupraleiter? Wird der LHC die Welt zerstören? (Nein) Warum glauben Leute, dass der LHC die Welt zerstören wird?

31 Teil I Anhang

32 Teil II Was ist das Quark-Gluonen-Plasma?

33 Supraleitung! Normalerweise braucht man drei Quarks, drei Antiquarks oder ein Quark und ein Antiquark, um ein Teilchen zu bilden Alles andere wäre farbig! Bei hohen Dichten kann man Paare von Quarks bilden Diese verhalten sich wie die Cooper-Paare, die elektrische Supraleitung verursachen Farbströme werden unendlich gut geleitet Ein Farbsupraleiter entsteht.