Die Geschichte vom Anfang der Welt. Th. Naumann. DESY Zeuthen. Genesis 1,1 Buch Bereshit. war das

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1 Die Geschichte vom Anfang der Welt Th. Naumann DESY Zeuthen 1 Genesis 1,1 Buch Bereshit war das 2

2 Tohuwabohu Chaos 3 Und Gott sprach: Es werde Licht! 5

3 6 Und es ward Licht. 7

4 Und Gott sprach: b d c u t s Es werde Materie! Und es ward Materie. 8 QUARKS LEPTONEN 9

5 Und Gott sprach: G g g g W + W - Z 0 Es werde Kraft! Und es ward Kraft. 10 Kräfte werden vermittelt durch Austausch von Teilchen 11

6 Die vier Kräfte 12 Und Gott sah, was er gemacht hatte. Und siehe: es war gut. Und er ruhte am siebten Tag. 14

7 Der Mensch aber will Erkennen, was die Welt im Innersten zusammenhält. Er stellt sich viele FRAGEN : 16 Die Bausteine der Welt + ihre Wechselwirkungen 17

8 Die Bausteine der Welt 18 Atom Die Struktur- Niveaus der Materie Kern Proton Quarks? 19

9 Bausteine der Welt QUARKS Symmetrien: Lepton-Quark 3 Familien Up-Down LEPTONEN Was steckt hinter diesem Schema 22 Teilchen-Massen Woher kommen diese Massen Masse des Gold-Kerns Higgs? 23

10 Das Higgs-Teilchen nötig in elektroschwacher Eichtheorie erklärt das Phänomen Masse: Widerstand gegen Beschleunigung hängt vom Medium ab: Vakuum - Wasser Honig Teilchen spüren Higgs-Feld als Hintergrund-Feld + werden träge 25 Im Anfang Johannes-Evangelium 1,1: Im Anfang war das Wort. Goethe, Faust I, Im Studierzimmer: Geschrieben steht: Im Anfang war das Wort. Geschrieben steht: Im Anfang war der Sinn. Es sollte stehn: Im Anfang war die Kraft! 29

11 Vereinigung der Kräfte 30 Super-Symmetrie Fermion electron quark photon Boson Boson selectron squark photino Fermion Super-Symmetrie Spiegel-Welt vereinigt Kraft mit Materie Bosonen mit Fermionen 36

12 Super-Symmetry Auch Anti-Materie war 1931 Spiegel-Welt! 37 Selektron Elektron 38

13 SUSY + Grosse Vereinigung elm. schwach stark m Pl U(1) SU(2) SU(3) SU(5), SO(10) Zur Urkraft vereinigt an der Planck-Skala? 41 Die Geschichte des Kosmos 44

14 Fluchtgeschwindigkeit Die Expansion des Kosmos Scheinbare Helligkeit Rotverschiebung Hubble-Gesetz: Entfernung ~ Fluchtgeschwindigkeit Der Kosmos bläht sich auf: Edwin Hubble, Kosmische Hintergrund-Strahlung Relikt des Urknalls: Penzias + Wilson, 1965 Mikrowellen-Strahlung aus allen Richtungen Schwarzkörper-Spektrum Spektrum mit T = K liefert Zeit-Energie - Skala 46

15 The Big Bang 51 Materie - Antimaterie e - e + A. Sacharov Materie : Antimaterie : Sind wir ein Rechenfehler Gottes? Materie-Antimaterie Antimaterie-AsymmetrieAsymmetrie entsteht wenn: Kosmos nicht im thermischen Gleichgewicht Baryonzahl verletzt (Proton-Zerfall) CP verletzt 55

16 Der Kosmos in Daten Größe Symbol Wert Kommentar Total Dichte tot ± Warum = 1? Dichte Dunkler Energie ± Was ist Dunkle Energie? Materiedichte m ± Baryondichte b ± Anteil Dunkler Materie b m 0.83 ± 0.01 Was ist Dunkle Materie? Baryon-Photon Verhältnis (5.6 ± 0.9) Warum so klein? CMB Temperatur / K T CMB ± CMB Photondichte / cm -3 n ± 0.9 Alter bei Entkopplung / kyr t dec 376 ± 3 kausaler Horizont 2º Alter des Universums / Gyr t ± 0.12 extrem genau! Die dunklen Seiten des 63

17 Dunkle Materie Rotationskurven von Galaxien + Dynamik von Galaxien-Clustern: irrte Newton? meiste Materie ist dunkel v ~ 1 / r Andromeda v ~ const 64 Dunkle Materie Wind ist unsichtbar. Nachweis: Deformation der Wasseroberfläche. Dunkle Materie? Nachweis: Deformation der Metrik des Raumes! Linse = Saturn-Masse Super- Symmetrie? Gravitations- Linsen Quasare 65

18 Dunkle Energie Typ Ia Super-Novae expandieren schneller als nach dem Hubble-Gesetz: unbekanntes Treibgas des Kosmos treibt Galaxien aus dem Ereignis-Horizont! Zweite Inflation? Higgs-artiges Feld? kosmolog. Konstante? Quintessenz die fünfte Kraft? Einstein 1913 : Kosmos = Milchstrasse kosmolog. Konstante verhindert Gravitationskollaps Streichung meine größte Eselei Vortrag Einsteins am Mt. Wilson Lab Inventur im Kosmos SUSY- Teilchen Higgs- Teilchen?? Higgs Dunkle Energie 72%? Dunkle Materie 23% Kosmolog. Konstante? Quintessenz? Sichtbare Materie 4,6% WIMPs : H + He gas 3,9% Sterne 0,5% Schwere Elemente 0,03% Spitze des Eisbergs! Erklärt das Kleinste - die Teilchen das Größte - den Kosmos 67

19 Superstrings Ist die Welt 2-dimensional... Nur unsere 4 Dimensionen expandierten nach dem Urknall. Die anderen 6 blieben kompakt. 3-dimensional dimensional? Elementare Teilchen = String-Anregungen? Stringradius = Planck-Länge = ( G N /c 3 ) 1/2 = m? 70 Extra Dimensionen Hierarchie-Problem: M elw / M Planck ~ senke Gravitations-Skala von M Planck ~ GeV auf M D ~ 1 TeV möglich wenn Gravitation sich in 4+n Dimensionen ausbreitet. 73

20 Extra Dimensionen Emission von Kaluza-Klein Klein Gravitonen: G extra dimension (e + e - G X) für extra Dim. e e Z Our space-time q q reale Emission: fehlender Impuls virtueller Austausch: größere Raten Graviton: Spin-2 Tensor-Kraft: Winkelverteilung LHC 100 fb -1 : M KK > 9,7,6 TeV für = 2,3,4 75 dark matter dark energy Vom Quark zum Kosmos 76

21 CERN LHC 77 LHC Large Hadron Collider am CERN in Genf : 27 km lang 8 T supraleitende Magnete Genf LHC CERN Kosten ~6 Mrd. davon ~1 Mrd. aus D ~0.5 Mrd. USA 78

22 CERN Large Hadron Collider am CERN in Genf : 7x7 TeV Proton-Proton Kollisionen >2008 Suche nach : Higgs Teilchen Super-Symmetry Symmetry LHC Strahl + Magnete CMS Magnet: größter SC Magnet der Welt! 6x ka, 4T = 2.6 GJ = genug um 18 t Gold zu schmelzen! LHC Magnete: größte superflüss. Kryosystem d. Welt! 27 km bzw. 96 t 8.4 T und 1.8 K (Wärmeleitfähigkeit) gespeicherte Energie 10 GJ = Airbus 700 km/h = genug um 50 t Kupfer zu schmelzen! Dipole 15 m lang, 30 t LHC Strahl: p = TeV: E = 362 MJ (HERA, Tevatron: 2MJ) = 100 kg TNT = 200 t 200 km/h = schmelze 25 m tief in Cu beam dump 81

23 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Energie eines Protons entspricht der einer Mücke im Flug (1 μj) Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 82 Die Experimente ATLAS Physiker 178 Institutionen 35 Länder 83

24 ATLAS Expt. Forward Muon Kammern Flüssig Argon Kalorimeter Si Pixel Tracker 83 m 3 flüssiges Ar CMS: 210 m 2 Si ~100 Millionen Kanäle 84 ATLAS Halle 85

25 86 CMS SC Magnet 6x12 m 20 ka 4 T 2.6 GJ Welt- rekord 87

26 Terra Incognita - zu neuen Ufern 103 Der Bauplan Gottes

27 LHC ab 2009 Dunkle Materie Higgs SUSY Extra Dimensionen Mini Black Holes Dunkle Energie 105