webcast/ + press conference

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1 webcast/ + press conference 1

2 Die dunkle Seite des Universums Physik am Samstag, Karlsruhe, INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE Please insert a figure in the master transparency. KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

3 Die dunkle Seite des Universums Übersicht Was ist dunkle Energie? Was ist dunkle Materie? Suche nach DM am KIT: CMS Exp. am LHC 13.7 Milliarden Jahre 95% der Energie des Universum ist dunkel und unbekannter Natur y 10 2 s AMS Exp. (auf der ISS) Edelweiss Exp. (unterirdisch) s s 3

4 Die Säulen der Urknalltheorie 13.Milliarden Jahre Jahre 3 Min. 4

5 Entwicklung der Dichtefluktuationen im Universum Man kann die Dichtefluktuationen im frühen Univ. als Temp.-Fluktuationen der CMB beobachten! 5

6 13.7 Milliarden Jahre Beobachtungen Teleskopen: Galaxien 95% der Energie des Universum unbekannter Natur Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleunigern 10 2 s WMAP Satellit: Fernsehschüssel zur Beobachtung des Strahlung aus dem Urknall s s Urknall 6

7 SDSS Telescope in Arizona (US) 7

8 LHC Beschleuniger am CERN 8

9 WMAP Raumsonde Flug zum Lagrange Point 2 Sonne Erde Mond WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 9

10 Bestandteile des Universums 10

11 Wie laut war der Urknall? 11

12 Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB Blick von Satellit ins Universum Blick von Satellit auf die Erde WMAP hp?id=

13 Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen Moderne Flöte 13

14 Warum sind Töne des Urknalls so tief? WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST! Mark Whittle 14

15 Klang des Urknalls nach Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben) Mark Whittle Beachte: am Anfang gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! Akustische Wellen entstehen später unter Einfluss der Gravitation und Photonendruck A 220 Hz Frequenz 15

16 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien (wie Autos von der Polizei geblitzt werden) Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne Unsere Galaxie ist hier 16

17 Das Universum EXPANDIERT (Hubblesche Gesetz v=hd entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!) 17

18 Modell: gebackener Rosinenkuchen Hubblesche Gesetz: v=hd Relative Geschwindigkeit der Rosinen (Galaxien) proportional zum Abstand 18

19 durch Vakuumenergie? Perlmutter Schmidt Riess Nobelpreis

20 Physik-Nobelpreis 2011 Kosmische Kerzen bestätigen Einstein Von Holger Dambeck Das Universum wächst immer schneller - für diese Entdeckung bekommen die Astrophysiker Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess den Nobelpreis. Beweisen wollten sie ursprünglich das Gegenteil, doch am Ende bestätigten sie eine Idee Albert Einsteins - die er selbst als Fehler verworfen hatte. Schlussfolgerung: es gibt abstoßende Gravitation Aber dies ist genau was Higgsfelder verursachen: abstoßende Gravitation 20

21 Sternentwicklung SN/h 21

22 Nobelpreis 2011 einfach erklärt Standard Kerzen: Supernovae 1a (hier Laternen) Vergleiche mit einem Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne. Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat beschleunigte Bewegung. So ist es auch mit dem Universum: die Ausdehnung ist größer als erwartet von der abbremsende Gravitation. Eine beschleunigende Kraft muss her. 22

23 Entwicklung des Universums 23

24 Zusammensetzung des Universums: Dunkle Energie (73%) = Energie mit abstoßender Gravitation If it is not dark, it does not matter Schwarze Löcher (wenig) = normale Materie mit so hoher Dichte, das Licht nicht entweichen kann (können entstehen am Ende einer Sternexplosion) Sichtbare Materie (4%): alles was wir nachweisen können und im Labor produzieren können Dunkle Materie (23%): schwach wechselwirkende Materie, die man bisher nicht im Labor produzieren konnte 24

25 Das Problem Berechnung der Vakuumenergiedichte im SM: GeV/cm 3 im Standardmodell GeV/cm 3 in Supersymmetrie Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm 3 Warum ist das Vakuum des Universums so leer? 25

26 Supersymmetrie (Symmetry zwischen Fermion und Bosonen) One half is observed! One half is NOT observed! 26

27 Supersymmetrie ist einfach Klasse SUSY ist für die Physiker so wichtig und beliebt, weil es den Higgsmechanismus vorhersagt mit einer Higgsmasse von GeV und einer Topmasse von GeV einen Kandidaten für die DM liefert (SUSY- Partner des Photons oder des Higgs-Teilchens) Unendlichkeiten im Standard Model vermeidet eine Vereinheitlichung aller Kräfte erlaubt 27

28 Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY 28

29 Entwicklung des Universums in einer GUT 29

30 Entdeckung der dunklen Materie Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt. Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope Dubinski Lösung: es muss zusätzliche dunkle Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!) 30

31 Wie kann man einen Urknall im Labor machen? 31

32 E=mc 2 macht es möglich 32

33 Temperaturentwicklung des Universums 33

34 34

35 Bau der Experimentierhallen 35

36 Bild eines Detektors (CMS) 36

37 CMS Collaboration June 27,

38 38

39 CMS Endkappe wird in Kaverne herunter gelassen 39

40 40

41 Raw SE T ~2 TeV 14 jets with E T >40 Estimated PU~50 41

42 Typisch 37 Kollisionen pro Paket Crossing LHC hat Protonen gespeichert in 1380 Paketen mit Protonen/Bunch 42

43 Wenn DM Teilchen am LHC entdeckt werden, wie kann man sicher sein, dass diese auch die DM des Universums bilden? 43

44 Direkte DM Suche mit dem Edelweiss Experiment Prinzip: WIMP stößt Kern vom Gitterplatz -> Ionisation und Wärme (Um geringe Wärmemenge zu detektieren und den Untergrund der kosmischen Strahlung zu minimieren, muss der Detektor tief unter der Erde nahe dem absoluten Nullpunkt (ca. 0.1 K) betreiben! 44

45 Indirekte Suche nach DM im Weltall DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein. Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet und die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie. Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung (am LEP Beschleuniger 45

46 Das Alpha-Magnet-Spectrometer auf der Internationalen Raumstation ISS seit Mai, 2011 Science on the ISS AMS January 5, S.C.C. Ting

47 Launch, at 8:56 am (European time) 47

48 Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 48

49 ACC MAGNET VACUUM CASE TRACKER MATTER PLANE 1NS RICH Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 ECAL LTOF ANTIMATTER TRACKER PLANE 1N TRD UTOF TRACKER PLANE 6 Weight 7000 kg Volume 64 cubic meters Power 2500 watts Data downlink 2 Mbps (average) Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field) Magnetic material Neodymium alloy (Nd 2 Fe 14 B), weighting 1200 kg Subsystems 15 particle detectors and supporting subsystems Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT Mission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth) Construction RWTH + KIT Transition Rad. Detector (Schael) (de Boer) Cost $2 billion (estimated) 49

50 600 physicists, 60 institutes, 16 countries Spokesman Sam Ting Nobelprize 1976 started AMS in

51 AMS-02 installiert auf der ISS Astronauten AMS-02 51

52 KIT verantwortlich für AMS nach dem Start Payload Commander Andreas Sabellek von KIT vor Endeavour nach dem letzten Check von AMS in Endeavour 52

53 Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS 53

54 Carbon Nucleus, 41.8 GeV 54

55 Astronautentag, in Karlsruhe 55

56 Zusammenfassung Dunkle Energie dominiert unser Universum abstoßende Gravitation! Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt. Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM. Satellitenexp. (AMS, Fermi, ) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der kosmischen Strahlung) oder man sieht Kollisionen der DM Teilchen in Untergrund-Experimente (Edelweiss, Xenon) Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet in diesem neuen Terrain 56