Vom Größten ins Kleinste

Transkript

1 Vom Größten ins Kleinste (u.a. auf der Suche nach dem Higgs) 1. Kosmologie: Die Mikrowellen vom Urknall 2. Dunkle Materie 3. Gekoppelte Neutrino-Pendel 4. Die Massen der Elementarteilchen Michael Kobel TU Dresden St Afra Gymnasium

2 Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec B: 8 min C: 12 Monate D: ,000 Jahre

3 Die Sonne Gasball aus H 2 und He, normalerweise durchsichtig Innen: T > K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~ Jahren Ankunft nahe der Oberfläche Oberfläche (Photosphäre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

4 Rückblick zum Urknall 1 ms bis 1s nach dem Urknall Antimaterie vernichtet ca. 99, % der Materie Riesige Strahlungsmenge entsteht ( Photonen ) Strahlung und Restmaterie bleiben in Wechselwirkung Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Hintergrundstrahlung breitet sich ungehindert aus

5 Strukturbildung im Universum Kleine Dichteunterschiede als Nachhall des Urknalls Verstärken sich durch Aufsammeln aus Umgebung Schwerkraft: Wo schon viel ist, landet noch mehr

6 Der Nachhall des Urknalls Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 o C) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit) COBE

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8 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre ( Jahre 80 Jahre) Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Schulanfang mit 6 Jahren Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo Sapiens

9 Mikrowellen als Babyfoto Cobe 1994 WMAP 2003

10 Nach Abzug unserer Milchstraße Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K heiße und kalte Flecken = dichte und dünne Gebiete genau wie bei Schall Klang des Universums

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12 Die Obertöne des Kosmischen Klangs Das Ohr hört an Obertönen: Art des Instruments geübtes Ohr: Bauweise Astrophysiker erkennen an den Obertönen: Form des Universums Zusammensetzung

13 Schallwellen vermessen Geometrie λ(geometrie) = υ f (1/Dichte) (Tonhöhe) Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge Tonhöhe Form Klang (Frequenzzusammensetzung) Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung a e i o u Universum: Kenne v und f bestimme λ (Maßstab)

14 erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) Ω Ω = M / M flach Raumkrümmung Ω < 1 Ω = 1 negativ gekrümmt flach positiv gekrümmt Ω > 1 allgemeine Relativitätstheorie

15 Geometrie = Form des Universums Ω > 1 Ω = 1 Ω < 1 13,3 Mrd. Lichtjahre bekannter Maßstab λ - neg. gekrümmt -flach - pos. gekrümmt Ω = 1, ,02

16 Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie Ω atomare Materie (p,n,e): Ω B Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher, -- dämpft den ersten Oberton -- verstärkt den zweiten Oberton nichtatomare dunkle Materie (ν, ): Ω DM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten Oberton dunkle Energie: Ω V kosmologische Konstante Vakuumenergie unverdünnbar meine größte Eselei!? Ω = Ω B + Ω DM + Ω V = 1

17 Ergebnis 5% atomare Materie (Ω Β =0,05) 25% nichtatom. Materie (Ω DM =0,25) 70% dunkle Energie (Ω V =0,70) insgesamt flach (Ω=1,02+ 0,02 )

18 Zwischenbilanz Nur 30% des Universums ist Materie Ω m = Ω B + Ω DM = 0,3 5/6 davon ist nichtatomare, dunkle, Materie möglicherweise uns völlig unbekannt 70% ist keine Materie, sondern dunkle Energie und treibt das Universum auseinander Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstraße ist Mittelpunkt des Kosmos Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine Randerscheinung (< 5%) Die dunkle Energie bestimmt die Zukunft

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

20 Pendel als Waage für Neutrinos Quantenphysik: Es gibt 3 Sorten von Neutrinos: ν e ν µ ν τ ( Pendel ) gekoppelt zu 3 stabilen Moden ν 1 ν 2 ν 3 kleiner Energieunterschied ΔE 2, abhängig von Kopplung Pendel: Frequenzunterschied Δf 2 Neutrinos: Massenunterschied Δm 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 Δm 2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen Δf 2

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

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

23 Der Überlichtknall der Neutrinos SuperKamiokande ,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan ν e ν µ ν τ d u d n W - p e - u u d μ τ Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

24 Atmosphärische Neutrinos Primäre Kosmische Strahlen (Protonen, He ) ν μ e ± μ ± L=10~20 km π ±, K ± Im Idealfall ν μ : ν e = 2 : 1 ν e und ν μ aus Luftschauern: Es fehlen keine ν e Es fehlen ν μ, umso mehr, je weiter der Weg war Erklärung: ν μ ν τ ν μ ν e

25 Erklärung der Messungen Sonnenneutrinos: weniger ν e wegen Oszillation ν e ν µ, τ Atmosphärische Neutrinos: weniger ν µ wegen Oszillation ν µ ν τ Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden ν 1 ν 2 ν 3 Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m 2 messbar!) Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < Ω ν < 4% erklärt nur kleinen Teil der dunklen Materie Animation: Ch. Weinheimer

26 Offene theoretische Fragen 3 Familien von Elementarteilchen Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei? Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Beispiel: Symmetrie der starken Farb ladung im Neutron Gluonen sorgen für f r Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien? Weitere Symmetrien? z.b: Supersymmetrie SUSY zwischen Baustein- und Botenteilchen?

27 Masse (MeV/c²) Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer ,1 1 0,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E , ? 2 0,5 90 0, , x10 5 2x Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino Familie

28 Die Bedeutung der Teilchenmassen Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von m u,m d oder m e hätte kaum Effekt auf makroskopische Massen kaum Effekt auf Ω B im Universum riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m e auf MeV/c 2 Leben: 30m große e Kaltblütler tler in Grönland? Erniedrige m d m e um 1 MeV/c 2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d m u um 2 MeV/c 2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, γ, ν) p n W - e - ν e

29 Leeres Vakuum Anschaulich Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit. Higgshintergundfeld Teilchen werden durch WW mit dem Higgs-Hintergrund Hintergrund-Feld verlangsamt. Teilchen erhalten effektiv eine Masse. Wert hängt h von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab. Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts!

30 Der Large Hadron Collider LHC am CERN pp-kollisionen bei 14 TeV Collider Ring (vormals LEP) mit 27 km Umfang, 100m unterirdisch o ALICE ATLAS CMS LHC-b

31 ATLAS Experiment am CERN, Genf Inbetriebnahme 2008 TU Dresden und ISEG Rossendorf Hochspannung für Energiemessung You are here Ingesamt 1800 Wissenschaftler aus 170 Instituten aus 35 Ländern

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33 SM Higgs Suche bei ATLAS und CMS Higgs Masse unbekannt: Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche m Zerfälle Nach Jahren gut verstandener Daten: SM Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden

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

35 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 weniger als 5% der Gesamtenergie des Universums Neutrinos erklären nur einen Bruchteil der 25% nichtatomaren dunklen Materie im Weltall Es gibt Ideen, was der Rest ist ( ATLAS / LHC Experiment 2008) 70% der Gesamtenergie steckt in dunkler Energie, unverstanden, aber bestimmend für Zukunft des Weltalls Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Mechanik sind eng verknüpft