Frontiers of Extragalactic Astrophysics. Silke Britzen Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

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1 Frontiers of Extragalactic Astrophysics Silke Britzen Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

2 WS 08/09: Programm Internet: Tel.: Vorlesungs-Information: Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis, Universität Heidelberg : Überblick über die Themen des Semesters : Kurze Einführung in die String-Theorie : Urknall & Inflation : Universum & Multiversen : : Wurmlöcher und Schwarze Löcher Weihnachtsferien : Zeitreisen & Zeitmaschinen : GLAST 2

3 Kurze Einführung in die String-Theorie Programm heute: Aktuelles String-Theorie Historisch gesehen Die Große Vereinheitlichung Das Teilchenmodell Standard & Super Die Basics der String-Theorie Die Dimensionen Schönheitsfehler der Stringtheorie Supergravitation Branen Kosmologische Voraussagen Experimentelle Überprüfung der Stringtheorie Die Experimente am LHC Mini Schwarze Löcher Zusammenfassung 3

4 AKTUELLES

5 Galaxien unerwartet einheitlich Statistische Analyse von 200 Galaxien Erwartet wurde, daß hierarchisches Modell der Galaxienbildung zu unterschiedlichen Sternsystemen führen sollte mindestens 4 Parameter zur Beschreibung notwendig: Masse, Rotationsrate, Massenkonzentration, Zeitpunkt der Entstehung des Sternsystems Stattdessen: Entwicklung scheint nur von einem (noch unbekannten Parameter) abzuhängen Hierarchisches Modell kann diese Korrelationen nicht erklären 5

6 Kollisionen Supermassiver SL im jungen Universum Vor 12 Milliarden Jahren (z=3.8), Sternsysteme eigentlich noch im Entstehen begriffen 4C60.07 mit Submillimeter Array auf Hawaii beobachtet, Radiostrahlung Und Infrarotstrahlung alte statt neuer Sterne Materiestrom 6

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10 Kosmische Linse gibt Auskunft über Frühphasen Aufschlüsse über Frühphasen im Universum über Kosmische Linse Junge Galaxie kollidiert mit anderer, füttert dadurch ein supermassives Loch und triggert enormen Sternentstehungsprozess (700 pro Jahr unsere Milchstrasse 3-4 pro Jahr) Alter des Universums in dieser Entfernung:15% des jetzigen Alters Schwarzes Loch befindet sich am Rande statt im Zentrum, was auf einen Verschmelzungsprozess hindeutet 10

11 Haare im Universum Große Galaxien klumpen vermutlich auf Strukturen die großen Blasen vergleichbar sind, wo zwei Blasen sich treffen, könnten sich Filamente von Dunkler Materie finden 14 Galaxien bilden sich entlang einer Linie: Bridge to Nowhere, 13 Galaxien erzeugen simultan neue Sterne Galaxien bilden sich vielleicht auf und entlang des Filaments; Dunkle Materie zieht normale Materie an, die dann neue Sterne bildet 11

12 Kurze Einführung in die String-Theorie

13 Reviews SUPERSTRING THEORY. VOL.1 and 2 By Michael B. Green (Queen Mary, U. of London), J.H. Schwarz (Caltech), Edward Witten (Princeton U.), Cambridge, Uk: Univ. Pr. ( 1987). STRING THEORY. VOL. 1 and 2 By J. Polchinski (Santa Barbara, KITP),. Cambridge, UK: Univ. Pr. (1998). WHAT IS STRING THEORY? By Joseph Polchinski (Santa Barbara, KITP),. e-print Archive: hep-th/ TARGET SPACE DUALITY IN STRING THEORY. By Amit Giveon (Hebrew U.), Massimo Porrati (New York U.), Eliezer Rabinovici (Hebrew U.),.Published in Phys.Rept.244:77-202,1994. STRING DUALITY: A COLLOQUIUM. By Joseph Polchinski (Santa Barbara, KITP), Published in Rev.Mod.Phys.68: ,1996. THE ORIGIN OF BLACK HOLE ENTROPY IN STRING THEORY. By Gary T. Horowitz (UC, Santa Barbara),. e-print Archive: gr-qc/ LECTURES ON STRINGS AND DUALITIES., By Cumrun Vafa (Harvard U.), e-print Archive: hep-th/ AN INTRODUCTION TO NONPERTURBATIVE STRING THEORY, By Ashoke Sen (Harish-Chandra Res. Inst.),. e- Print Archive:hep-th/ LARGE N FIELD THEORIES, STRING THEORY AND GRAVITY. By Ofer Aharony (Rutgers U., Piscataway), Steven S. Gubser (Harvard U.), Juan M. Maldacena (Harvard U. & Princeton, Inst. Advanced Study), Hirosi Ooguri (UC, Berkeley & LBL, Berkeley), Yaron Oz (CERN),. Published in Phys.Rept.323: ,2000. QUEST FOR UNIFICATION. By Edward Witten (Princeton, Inst. Advanced Study),. e-print Archive: hep-ph/

14 Historisch gesehen

15 Relativitätstheorie Spezielle Relativität & Allgemeine Relativität; bestes theoretisches Konstrukt für die Gravitation: ART Aber: keine Quantennatur, keine Unschärfe, keine Wahrscheinlichkeitsinterpretation, keine Wellenfunktion Unschärferelation, Wahrscheinlichkeitsphysik, Nicht kompatibel mit allgemeiner Relativitätstheorie Vereinheitlichungstheorien: schwache, starke und elektromagnetische Kräfte, Gravitation gehört nicht dazu Supergravitation: Unschärferelation mit allgemeiner Relativitätstheorie vereinbart 15

16 Konflikt: ART / Quantenmechanik ART hervorragend geeignet für große und massereiche Objekte (Planeten) Quantenmechanik hervorragend zur Beschreibung sehr kleiner Objekte geeignet (Elementarteilchen) Problem: unter extremen Bedingungen im Zentrum Schwarzer Löcher, während des Urknalls beide Theorien müssen gleichzeitig verwendet werden ergibt unsinnige Ergebnisse Grund für Konflikt: ART beruht auf glatter Raumzeit, Quantenmechanik sagt aufgrund von Unschärferelation bei Größenskalen unterhalb der Plancklänge (10-35 m)quantenfluktuationen vorher (Raumzeit dann stark gekrümmt und verzerrt: Quantenschaum) Suche nach einer einzigen Theorie, die das gesamte Universum und die Prozesse darin beschreibt! 16

17 Die große Vereinheitlichung

18 Elektromagnetische Kraft Elektroschwache Kraft schwache Kraft starke Kraft Große Vereinigung Schwerkraft?

19 Das Teilchenmodell Standard & Super

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21 Standardmodell der Teilchenphysik 21

22 Ungeklärte Fragen Theory of Everything TOE sollte beantworten: Warum gibt es genau 4 Grundkräfte, wieso haben sie sich aufgespalten? Warum genau 3 Teilchenfamilien? Warum haben die Elementarteilchen die Eigenschaften, die wir beobachten? Warum gibt es eine solche Fülle von Elementarteilchen im Universum? Was ist die Dunkle Materie bzw. die Dunkle Energie? Warum kam es im frühen Universum yu Dichtefluktuationen, die zur Entstehung von Sternen und Galaxien führten? Was ist die Substruktur von Quarks und Leptonen? Weshalb gibt es genau 3 Raumdimensionen und eine Zeitdimension? Wie entstanden Raum & Zeit? 22

23 Geschichte der String-Theorie Enthält wesentliche Erkenntnisse der Kaluza-Klein-Theorie (1920er): Erweiterung der ART um Elektrodynamik und Gravitation «Ich habe grossen Respekt vor der Schönheit und Kühnheit Ihres Gedankens», schrieb Albert Einstein 1919 begeistert dem Königsberger Privatdozenten Theodor Kaluza. Historische Urform: bosonische Stringtheorie (60iger,70iger): 26 Dimensionen, 25 Raum- und eine Zeitdimension, beschreibt nur Bosonen, Fermionen nicht enthalten, bringt Teilchen mit imaginärer Masse hervor (Tachyonen, nie beobachtet) 70iger Jahre: Vermutung, daß die Stringtheorien alle vier Wechchselwirkungen in der Natur vereinigen könnten: Stringtheorie kann Spin-2-Anregungen (Tensorbosonen) erzeugen, die mit dem (hypothetischen) Graviton in Verbindung gebracht werden; Green und Schwarz beseitigen die Anomalien der Stringtheorie, geling 1984; Zahl der Stringforscher wächst innerhalb kurzer Zeit von einer Hand voll auf mehrer Hundert!! (die erste Superstringrevolution!) 80iger: nicht nur Strings als Fäden, sondern auch höherdimensionale Objekte sind möglich (Paul Townsend: P- Branen mit einer Dimension p, Membran: flächenhaft, schwingendes Objekt; 0-Bran: Punktteilchen, 1-Bran: String; 2- Bran: Membran) Kaluza Klein 23

24 Theodor Kaluza Oppeln, Oberschlesien Göttingen Deutscher Physiker und Mathematiker Entwickelte mit Oskar Klein die Kaluza-Klein-Theorie 20 Jahre Privatdozent, 1929 Berufung auf Lehrstuhl nach Kiel, 1935 Ruf nach Göttingen Bekannt für originellen Lösungsansatz für eine vereinheitlichte Feldtheorie, die die Gravitation und die Maxwellsche Elektrodynamik vereinen sollte, führte 5. Dimension ein, welche die Integration der Maxwellschen Gleichungen ermöglichte (behauptete, elektromagnetische Wellen seien Störungen, die durch die Krümmung der fünften Dimension hervorgerufen würden); Quantenmechanik ließ seine Arbeit in den Hintergrund treten Einstein: Ob sich Kaluzas Idee bewähren wird, kann man noch nicht sagen, Genialität wird man ihr zuerkennen müssen 17 Sprachen gesprochen oder geschrieben (darunter Arabisch, Hebräisch, Litauisch, Ungarisch, etc.) Ungemein bescheidene Persönlichkeit Ablehnung der nationalsozialistischen Ideologie Berufung nach Göttingen daher erschwert Als über 30jähriger Nichtschwimmer hat er sich das Schwimmen durch die Lektüre eines Buches beigebracht Erfolg beim ersten Versuch im Wasser 24

25 Geschichte der String-Theorie 1997: Juan M. Maldacena findet die AdS/CFT-Korrespondenz; neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Gravitation und Teilchenphysik Bis Mitte der 90iger: eine 26D bosonische Stringtheorie und 5 verschiedene, zehndimensionale Stringtheorien Wichtige Untersuchungen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA und am LHC am CERN Maldacena A. Müller 25

26 Erfinder der String-Theorie? Literatur: The elegant universe by Brian Greene Superstring theory by Michael Green, J ohn Schwarz and Edward Witten String theory by Joe Polchinski D-branes by Clifford Johnson John Schwarz Michael Green 26

27 Die Basics der String-Theorie

28 String-Theorie Bei allen Teilchen handelt es sich um Vibrationen auf einem unendlich langen, dünnen String Strings können offen oder geschlossen sein Strings bewegen sich durch die Zeit und bilden ein world-sheet 28

29 String-Theorie Die Größe, ab der Effekte der Quantengravitation wichtig werden: Auf viel größeren Längenskalen (Labor) sind sie nicht von nulldimensionalen punktförmigen Partikeln zu unterscheiden; aber die Vibrationszustände und die Struktur lassen sie als verschiedene Elementarteilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik erscheinen (Photon, Quark, ) Aber: noch keine bekannte Lösung dieser Theorie reproduziert genau die Vielzahl von Teilchen, die das Standardmodell kennt Strings können offen, oder geschlossen sein; mit offenen wie geschlossenen Strings sind immer charakteristische Schwingungsarten (Moden) verbunden. Eine bestimmte Vibration eines geschlossenen Strings kann als Graviton identifiziert werden Strings können eine Orientierung besitzen 29

30 String-Theorie Superstringtheorie (kurz: Stringtheorie) eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle, die alle bisher beobachteten Fundamentalkräfte der Physik einheitlich erklären Gilt als Ansatz der gesuchten Vereinheitlichung der Gravitation mit der Quantenfeldtheorie der nichtgravitativen Wechselwirkungen Strings (engl. für Saite) werden als vibrierende Objekte mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung angenommen Gegensatz zum Modell der Elementarteilchen, die als nulldimensional angenommen wird Ein Elementarteilchen kann man sich als Schwingungsanregung der Strings vorstellen, wobei die Frequenz nach der Quantenmechanik einer Energie entspricht Weiterentwicklung der Stringtheorie: Brane-Theorie, hat als Basisobjekte höherdimensionale Objekte 30

31 Strings und Eigenschaften Nach der Stringtheorie entspricht jedes Teilchen (auch Eichbosonen) einem bestimmten Schwingungsmodus eines Strings: Gitarrensaite, jeder erzeugte Ton entspricht einer bestimmten Frequenz, mit der die Saite schwingt. Die verschiedenen Schwingungsmuster eines Strings erzeugen verschiedene Eigenschaften von Teilchen: Masse, Ladung, Spin, usw.; je größer die Amplitude und je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Energie (Quantenmechanisch: E=h ν); aus der Relativitätstheorie: Masse und Energie entsprechen sich: E=m c 2 die Energie des Schwingungsmusters legt die Masse des Strings fest Ein String kann auf 2 Arten schwingen: Gewöhnliche Schwingung Schwerpunktschwingung (ändern seine Position aber nicht seine Form) 31

32 Strings und Eigenschaften Strings können unendlich viele Schwingungen ausführen und theoretisch eine unendliche Zahl verschiedener Teilchen entstehen lassen Relativistische und nichtrelativistische Strings, nach Wellengeschwindigkeit 32

33 Voraussagen der Stringtheorie Viele Lösungen von Problemen sind einfach eine logische Konsequenz der Stringtheorie: Die Fülle der Teilchen Eines des Stringschwingungsmuster entspricht genau den Eigenschaften des Gravitons Gravitation wird in den quantenmechanischen Rahmen der Stringtheorie mit einbezogen Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätsheorie ergeben sich völlig von selbst, d.h. ohne eine einzige der Gleichungen vorauszusetzen, aus der Stringtheorie Wie eine Gitarrensaite hat auch ein String eine Spannung die Masse eines Strings hängt neben der Art seiner Schwingung auch von seiner Spannung ab die Spannung des Gravitons hängt von der Planckspannung ab: ein typischer String hat die Größe der Plancklänge; entscheidend für die Vereinheitlichung von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik 33

34 Masse der Strings zu groß!! Wie kann die Stringtheorie die Eigenschaften der bekannten Teilchen erklären, wenn die typische Masse eines Strings um den Faktor größer als die Masse des Elektrons, oder um den Faktor größer als die des Protons ist?? Lösung I: Schwere Teilchen sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit in viele, leichtere Teilchen mit geringen Massen daher nur sehr wenige im frühen Universum entstandene massereiche Strings übrig Lösung II: Unschärferelation, alles im Universum ist Quantenbewegungen unterworfen, die Energien der Quantenschwingungen sind im Bezug auf die Schwingungsenergien eines Strings negativ Energie wird somit um den Betrag der Planckenergie reduziert; im Fall des Gravitons heben sich die Energien vollkommen auf, so daß das Teilchen keine Masse besitzt Energiearme Schwingungsmuster stellen Besonderheit dar! Typische Strings viele Millionen mal energie- und massereicher extrem hohe Energien zu ihrer Entdeckung notwendig bis heute nicht entdeckt 34

35 Wechselwirkende Strings Strings wechselwirken miteinander indem sie sich zu einem einzigen String vereinigen oder sich in weitere aufteilen Beispiel: in der Quantenmechanik kann sich ein Elektron-Positron-Paar gegenseitig vernichten und ein virtuelles Photon erzeugen, welches eine kurze Stecke zurücklegt und anschließend seine Energie wieder freisetzt, indem es ein neues Elektron-Positron-Paar erzeugt, jedoch mit veränderten Richtungen ---- in der Stringtheorie: beide Strings schließen sich zu einem dritten String zusammen, welcher dem Photon entspricht, legt einen kurzen Weg zurück und teilt sich anschließend wieder in zwei Strings auf 35

36 Strings als Weltröhren Ein String nimmt zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Position im Raum ein seine Geschichte läßt sich als Fläche in der Raumzeit als Weltfläche in Form einer Röhre, bzw. Weltvolumen darstellen auch die Wechselwirkung von Strings kann als Weltvolumen dargestellt werden Stringtheorie schafft die Verbindung von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik als Quantenfeldtheorie de Gravitation und ist heißer Kandidat für eine TOE 36

37 Superstrings Strings + Supersymmetry = Superstrings Vereinheitlichung aller 3 im Standardmodell vorkommenden Wechselwirkungen -> GUT Die Modelle beinhalten häufig Supersymmetrie (Symmetrie zwischen Bosonen (Photon, Gluon, Higgs-Boson, Spin 0 oder 1) und Fermionen (Leptonen & Quarks) : postulierte Partnerteilchen Anderer Ansatz zur Erweiterung des Standardmodells: Quantengravitation 37

38 Supersymmetrie Besagt, daß Fermionen und Bosonen immer paarweise auftreten, so daß jedes Teilchen einen Superpartner besitzt, der sich um den Spin ½ unterscheidet ABER: keines der bekannten Teilchen kommt als Superpartner für ein anderes in Frage, jedes Teilchen muß demnach einen noch unbekannten Superpartner besitzen, statt die bekannten Teilchen zu erklären, verlangt die Superstringtheorie eine ganze Reiche neuer Teilchen unvorteilhaft für die Physik??? Gründe für die Supersymmetrie: Beseitigt schwerwiegende Probleme der bosonischen Stringtheorie Materieteilchen können integriert werden und Tachyon kommt nicht mehr vor Benötigt nur noch 9 Raumdimensionen (statt 25) Vereinheitlichung der nichtgravitativen Kräfte große Vereinigung: 1974 entdeckt, die Stärken der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Kernkraft nähern sich bei extrem kleinen Abständen einander an Grund: Quantenfluktuationen; bei extrem kleinen Abständen (ca m) werden die nichtgravitativen Kräfte fast, aber nicht ganz gleich; bezieht man die Supersymmetrie mit ein, so bewirken die Beiträge der Superpartner, daß die Kräfte sich exakt in einem Punkt treffen und somit auf eine Urkraft zurückzuführen sind Nachweis der Superpartner steht allerdings noch aus (sehr schwere Partner und hohe Energien notwendig) 38

39 Vereinheitlichung 39

40 Die Dimensionen

41 Die Raumzeit in der Stringtheorie Stringtheorie funktioniert nur in neun Raumdimensionen und einer Zeitdimension KRASSER WIDERSPRUCH ZU UNSEREN ALLTAGSERFAHRUNGEN Wo sind die anderen Dimensionen? Die 5.: 1926 behauptete der schwedische Physiker Oskar Klein, die zusätzliche Dimension sei winzig klein und zu einem Kreis mit dem Radius der Plancklänge aufgewickelt: Universum ist wie die Oberfläche eines Fadens, 3 beobachtbare räumliche Dimensionen sind lang und ausgedehnt, die 4. klein und kompaktifiziert und mit unseren Messgeräten noch nicht nachweisbar Theorie geriet durch den Erfolg der Quantentheorie für 60 Jahre in Vergessenheit (Analogie: Käfer auf Faden) 41

42 Dimensionen 42

43 Dimensionen der Stringtheorie In Kaluza-Klein-Theorie: 5. Dimension ist zu einem Kreis mit dem Radius der Plancklänge aufgewickelt Unendlich viele Dimensionen lassen sich nach diesem Schema kompaktifizieren: z.bsp. In Form einer Kugel oder eines Torus; nach diesem Prinzip sind die 6 zusätzlichen Dimensionen der Stringtheorie aufgewickelt Anzahl der Dimensionen ergibt sich automatisch aus ihren Gleichungen, bestimmen auch die Form in der die Zusatzdimensionen aufgewickelt sind: Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten oder Calabi-Yau-Räume nach ihren Entdeckern: Eugenio Calabi, Shing-Tung Yau An jedem Punkt der Raumzeit befinden sich die 6 zusätzlichen Dimensionen aufgewickelt in Form von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten Mehrere verschiedene Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten niemand weiß, welche die richtige ist, noch nicht einmal deren exakte Größe; Problem: die Form der Calabi-Yau- Mannigfaltigkeit bestimmt in höchstem Maße die Teilcheneigenschaften macht die Entdeckung des richtigen Calabi-Yau-Raums zu einer Notwendigkeit Reduktion der in Frage kommenden Räume durch: Suche nach Grund der Teilchenfamilien, Calabi- Yau-Raum kann Löcher enthalten, die ihrerseits eine Vielzahl verschiedener Dimensionen besitzen können jede Teilchenfamilie ist mit einem mehrdimensionalen Loch assoziiert der gesuchte Raum muß drei Löcher besitzen die Zahl der Teilchenfamilien in unserem Universum folgt aus der Form der aufgewickelten Extradimensionen 43

44 Windungen der Strings Strings können sich auf 2 unterschiedliche Arten durch aufgewickelte Dimensionen bewegen: gewundene (um die kompaktifizierten Dimensionen gewickelt) und nichtgewundene Strings Windungszahl bezeichnet die Anzahl seiner Windungen um die kompaktifizierte Dimension, wobei das Vorzeichen die Richtung festlegt Energie eines Strings wird von 2 Faktoren bestimmt: seiner Windungsenergie und der Art seiner Schwingung (Kombination aus gewöhnlicher Schwingung und Schwerpunktschwingung): Großer Radius: große Windungs- und kleine Schwingungsenergie Gesamtenergie bleibt gleich, wenn man die Windungszahl und die Schwingungszahl tauscht: In einem Universum mit dem Radius R sind Massen und Ladungen der Teilchen identisch mit denen in einem Universum mit dem Radius 1/R: geometrisch ungleiche Universen sind physikalisch nicht zu unterscheiden (Wechseln der Entfernungsmessung) 44

45 Risse in der Raumzeit ART: glatte Raumzeit keine Löcher und Risse im Universum Stringtheorie:Edward Witten 1993: Risse in der Raumzeit können vorkommen (eine Sphäre schrumpft und schnürt ein, bis der Raum reißt) Im Universum können jederzeit Risse auftreten Wurmlöcher und Zeitreisen sind physikalisch und mathematisch möglich 45

46 Schönheitsfehler der Stringtheorie

47 Schönheitsfehler In den letzten Jahren haben sich 5 verschiedene Superstringtheorien entwickelt: Typ I enthält neben geschlossenen auch offene Strings, Fehler: unterscheidet nicht zwischen rechtshändigen und linkshändigen Fermionen Typ IIA nicht chiral Typ IIB chiral, aber keine Eichbosonen Heterotisch mit Eichgruppe E8 x E8 (kurz: E-heterotisch) beschreibt das Universum am besten Heterotisch mit Eichgruppe SO(32) (kurz: O-heterotisch) Gleichungen sind so kompliziert, daß niemand in der Lage ist, deren genaue Form zu bestimmen Näherungsgleichungen (Störungsrechnung) notwendig Unendlich viele String-Antistring-Paare Kopplungskonstante: ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein String vorübergehend in ein virtuelles Stringpaar aufteilt; Größe nicht genau bekannt 47

48 Supergravitation

49 Supergravitation Erhöhen der Kopplungskonstante: Supergravitation: allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik im Rahmen einer auf Punktteilchen basierenden Quantenfeldtheorie vereinigt Witten konnte zeigen, daß durch Einführung einer elften Dimension in die Stringtheorie, die elfdimensionale Supergravitation in einen string-theoretischen Rahmen einzugliedern ist: durch Erhöhung der Kopplungskonstante des Strings vom Typ IIA oder des E-heterotischen Strings erscheint eine weitere Raumdimension, die zuvor niemand entdeckt hatte -> der E-heterotische String vom Typ IIA wächst zu einer geschlossenen Membran (Torus) Alle Stringtheorien lassen sich miteinander verknüfen, es ergibt sich ein einheitliches Gebilde die elfdimensionale M-Theorie Bedeutung von M ungeklärt: Membrane, Mystery, Mother, Millennium, Multiverse, Matrix oder ein umgedrehtes W für Witten M-Theorie gibt bis heute Rätsel auf aber: Gravitation läßt sich jetzt mit den anderen 3 Kräften vereinen schafft die Vereinheitlichung Aber: die fundamentalen Bausteine des Universums sind nicht ausschließlich eindimensionale Strings sondern mehrdimensionale Branen 49

50 M-Theorie 50

51 Branen

52 Branen Eine Bran kann bis zu neun Dimensionen besitzen, p räumliche Dimensionen, p-bran Ein Punkt: eine 0-Bran; ein String: eine 1-Bran; ein Objekt mit 3 Raumdimensionen:3- Bran Strings zwischen 52

53 Open string massless excitations include gauge fields. Closed string massless excitations include the graviton. Brane-world Scenarios 53

54 Branen Gefaltete Raumzeit Licht kann sich nur auf der Brane ausbreiten und muß sich um vom roten zum blauen Punkt zu gelangen entlang der orangefarbenen Linie ausbreiten Der Gravitation steht hingegen zur Ausbreitung der ganze, die Brane umgebende bulk zur Verfügung Deshalb läßt sich am blauen Punkt die Auswirkung der Gravitation des roten Punktes feststellen, noch lange bevor Licht vom roten Punkt beim blauen Punkt angelangt ist Führt man einer D-Bran extrem hohe Energie zu, kann sie astronomische Ausmaße erreichen Energien während und kurz nach dem Urknall Branen in der Größe des Universums könnten entstanden sein 54

55 From D-branes to Black Holes For certain black holes, D-brane states are the internal constituents. g 0 S 55

56 Voraussagen für unser Universum

57 ADD-Szenario ADD-Szenario, benannt nach Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali: unser Universum ist eine riesige Drei-Bran, eingebettet in eine elfdimensionale Raumzeit: neben unserem Universum könnten noch weitere Universen in Form von Drei-Branen existieren, die alle parallel in einer weiteren Dimension zu einem so genannten bulk angeordnet sind. Sie könnten nur Bruchteile eines Millimeters in einer vierten Raumdimension von einander entfernt sein, während die sechs restlichen Dimensionen zu Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten aufgewickelt sind ganze Zivilisatioen könnten in unmittelbarer Nähe von uns existieren, ohne daß wir es je bemerken würden; Dunkle Materie erklären: Gravitonen sind nicht an die Branen gebunden und können sich frei in der elfdimensionalen Raumzeit bewegen- dadurch können die einzelnen Drei-Branen miteinander wechselwirken DIE MATERIE DER ANDEREN UNIVERSEN ERSCHEINT UNS ALS DUNKLE MATERIE In einem anderen Modell ist die DUNKLE MATERIE DIE FOLGE DER KRÜMMUNG DER DREI-BRAN,DIE UNSER UNIVERSUM DARSTELLT Da die Gravitation durch die Lagen hindurch wirkt, während Teilchen wie z.b. Photonen, die sich nur in der Bran bewegen können, Milliarden von Lichtjahren zurücklegen, scheint es, als gäbe es eine Form von Materie, die wir nicht sehen, deren Gravitation wir aber messen können, weil uns das Licht dieser Materie noch nicht erreicht hat Ekpyrotisches und zyklisches Universum (spätere Vorlesung) 57

58 Multiversen Da hilft kein Schirm: Bei unendlich vielen Universen sind sogar Plätschernde Elefanten im Bereich des Möglichen 58

59 Experimentelle Überprüfung der String-Theorie Experimente am LHC

60 Experimentelle Überprüfung Extrem schwierig Teilchenbeschleuniger von der Größe der Milchstraße notwendig Indirekt beweisen: Exakte Form des Calabi-Yau-Raums bestimmen dann könnten daraus die genauen Eigenschaften der bekannten Teilchen berechnet werden Entdeckung eines oder mehrerer Superpartnerteilchen Entdeckung eines Teilchens mit bestimmter nichtganzzahliger Ladung -1/8 oder 5/37 Nichtkonstanz der Naturkonstanten (Lichtgeschwindigkeit, Plancksches Wirkungsquantum, Newtons Gravitationskonstante) physikalische Gesetz gelten nicht überall oder zumindest nicht zu jeder Zeit (über Milliarden von Jahren überall im Universum konstant) aber: Feinstrukturkonstante: vor einigen Milliarden Jahren um den Faktro 10-5 kleiner als heute würde wunderbar zur Stringtheorie passen; in 11 Dimensionen sind die Naturkonstanten absolut konstant, in vier Dimensionen können sie gelegentlich ein bißschen schwanken; neue Messungen widerlegen die alten Resultate denn nichts würde die Streitfrage so spektakulär entscheiden, wie der Anblick eines Strings in einem Teleskop Strings sollten Gravitationswellen erzeugen Entdeckung weiterer Feldkräfte 60

61 ALICE 61

62 LHC Large Hadron Collider Symmetriebrechung Higgs-Teilchen Urknall Stringtheorie SUSY Inflation Dunkle Materie etc. 62

63 Experimente am LHC Eisenstrukturen für CMS 4 Experimente sind vorgesehen: ALICE ATLAS CMS LHCb ATLAS und CMS untersuchen Proton- Proton-Kollisionen LHCb misst die Eigenschaften von Teilchen, die Bottom-Quarks enthalten ALICE ist für Kollisionen von Schwerionen optimiert Die interessanten Kollisionen sind ca mal seltener als die als Untergrund betrachteten Standardereignisse bekannten physikalischen Ursprungs In einem zeitl. Abstand von 25 Nanosekunden kollidieren die Protonenstrahlen mit einer Energie von jeweils 7 TeV miteinander, pro Sekunde muß der Detektor Teilchen verarbeiten (Anforderungen an Detektor, etc.) 63

64 Higgs-Boson Bei der Planung und Entwicklung der LHC-Experimente wurde sichergestellt, daß das Higgs-Boson auf jeden Fall gefunden werden kann, falls es eine Masse zwischen 100 GeV und 1 TeV besitzt (ATLAS & CMS) 64

65 LHC: ALICE Aufbau der Atome Zeit-Projektionskammer 65

66 LHC: ALICE Atome bestehen aus Neutronen und Protonen, Elektronen Protonen und Neutronen wiederum aus Quarks, die durch Gluonen zusammengehalten werden, Bindung der Quarks sehr stark, man erhält keine freien Quarks sondern neue zusammengesetzte Teilchen aus Quarks und Gluonen Quantenchromodynamik sagt voraus, daß bei hoher Temperatur und hoher Dichte Protonen und Neutronen ihre Identität verlieren und Quarks freigesetzt werden (Temp.: mehrere mal höher als im Innern der Sonne, Dichten wie im Zentrum von Neutronensternen) Quark-Gluon- Plasma wird gebildet Mini-Urknall ereugt den urspr. Zustand der Materie, QGP-Feuerball expandiert, kühlt sich ab und verwandelt sich in normale Materie Einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall war die Materie heiß und dicht und bildete das QGP, unter der kritischen Temperatur entstehen zusammengesetzte Teilchen die Hadronen vielversprechend! Schwerionenkollisionsbeschleuniger in den USA hat Hinweise auf die Bildung eines QGP geliefert. LHC Energie um Faktor 30 gesteigert 66

67 Massenspektrum 67

68 LHC: ATLAS Vermessung von Elektronen, Myonen, Tau- Leptonen, Jets aus Quarks oder Gluonen Durchmesser:25m, Länge: 46 m; der größte bislang gebaute Detektor der Elemetarteilchenphysik Messung der Gesamtenergie der Teilchen: Hinweise auf supersymmetrische Teilchen ergeben sich aus einer nicht ausgeglichenen Impuls/Energie-Bilanz Innerer Detektor (mißt Bahnkurven der bei der Kollision produzierten geladenen Teilchen im Magnetfeld), Kalorimeter (Energiemessung), Myonspektrometer (Myonen sind die einzigen geladenen Teilchen, die im Kalorimeter nicht absorbiert werden) großes System von Toroidmagneten, 3-8 Tesla, supraleitende Kabel mit Gesamtlänge von mehr als 70 km, Strom von Ampere 68

69 LHC: ATLAS / Myonenspektrometer 69

70 LHC: ATLAS Myon-Nachweissystem im Vorwärtsbereich des ATLAS- Detektors, Segmente des 25m hohen Spektrometers ATLAS: ca Wissenschaftliche Mitarbeiter 170 Institutionen aus 37 Ländern 15 Jahre Planung und Bau Höhe 25m, Länge 46m Gewicht 7000t ca. 100m tief unter der Oberfläche Gesamtmaterialkosten rd. 350 Mio. Euro 70

71 CMS 21m lang, Durchmesser:16m, 100 Mio Einzelteile, Kosten:350 Mio Euro, 100m tief unter der Erde, Gewicht: Tonnen (fast so viel wie der Eiffelturm) Schwere, neue Teilchen erzeugen Higgs-Teilchen, Supersymmetrische Teilchen Zusammensetzungen aus schweren Quarks: Top-Quarks, Elementarteilchen schwer wie Gold Compact Muon Solenoid, weltweit größter supraleitender Magnet 71

72 CMS Simulation, Zerfall eines Higgs- Teilchens in 4 Myonen 72

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74 Mini Schwarze Löcher Manche Modelle der supersymmetrischen Stringtheorie haben vergleichsweise große Extra- Dimensionen mit Längen bis zu einem Mikrometer large extra dimensions LXD: besonders interessant, die Stärke der Gravitationskraft ist bei kleinen Abständen im Vergleich zum bekannten Newtonschen Gesetz viel stärker um den Faktor von 1032 damit nimmt die Wahrscheinlichkeit Schwarze Löcher zu erzeugen dramatisch zu; theoretisch können damit Schwarze Löcher auch dort entstehen, wo Materiebausteine mit großer Wucht aufeinander treffen Die Wahrscheinlichkeit für den Prozess der Erzeugung von Mini SL ist eine Million Mal kleiner als für die üblichen Prozesse, aber einige 100 Mio Minis pro Jahr Untersuchung der Quantengravitation damit möglich Sind sie stabil? Hawking-Strahlung, Zerstrahlungsprozess läuft mit Hawking-Temperatur ab, die umso größer ist, je kleiner das SL, also ungeheuer rasch Arbeiten der Frankfurter Gruppe Hawkingschen Rechnungen sind nur für extrem große Schwarze Löcher anwendbar, fällt die seine Masse unter 1000 Protonenmassen, so kann es aufhören zu strahlen, zurück bleibt ein stabiles Relikt Diese Relikte könnten neue, stabile Klasse von Elementarteilchen darstenne, im Zwischenbereich von Gravitation und Quantenphysik 74

75 Mini Schwarze Löcher Erzeugung der Mini SL: Kip Thorne, bringt man Teilchen näher zusammen als der zur Gesamtenergie gehörende Schwarzschild-Radius, so kollabiert das System und wird zu einem SL LHC wirkt wie Mikroskop Strukturen von m sollten untersucht werden Beenden die Mini SL die Reise nach innen? Wie entdecken? Vollständige Unterdrückung von hochenergetischen back-toback-korrelierten Jets schmale Teilchenschauer, die in entgegengesetzter Richtung auseinander fliegen Zerfallsprodukte detektieren Hawking-Strahlung detektieren Jets (Schauer) klares Signal, 10 pro SL ALICE, ATLAS, CMS suchen SL 75

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78 Zusammenfassung String-Theorie

79 Applaus! Verbindung zwischen ART und Quantenmechanik durch die räumliche Ausdehnung von Strings Mathematische und physikalische Beschreibung des Gravitons Erklärung der Vielfalt von Elementarteilchen Erklärung der 3 Teilchenfamilien durch die Anzahl n-dimensionaler Löcher Abdämpfung von störenden Quanteneffekten bei gewissen physikalischen Prozessen und Vereinheitlichung der nichtgravitatitven Kräfte durch Einbeziehen der Supersymmetrie Vermeidung einer Singularität zu Beginn des Universums durch T-Dualität Möglichkeit von Rissen in der Raumzeit (Wurmlöcher und Zeitreisen möglich) Erklärung der Dunklen Materie und Dunklen Energie Erklärung des Urknalls, der Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Dichtefluktuationen des frühen Universums 79

80 Probleme & Fragen Grundzustand der Strings bis heute nicht bekannt Gleichungen nicht exakt lösbar Größe der Kopplungskonstanten nicht bekannt Exakte Form der Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit nicht bekannt Kein experimenteller Beweis für die Richtigkeit der Stringtheorie Wie und wann entstanden Raum und Zeit? Was ist die Raumzeit? Warum 10 Raumdimensionen? Noch weitere kompaktifizierte Zeitdimensionen? Warum sind die Elementarteilchen wie sie sind? Was passiert, wenn zwei Branen kollidieren? Was passiert im Innern eines Schwarzen Lochs? 80

81 WS 08/09: Programm Internet: Tel.: Vorlesungs-Information: Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis, Universität Heidelberg : Überblick über die Themen des Semesters : Kurze Einführung in die String-Theorie : Urknall & Inflation : Universum & Multiversen : : Wurmlöcher und Schwarze Löcher Weihnachtsferien : Zeitreisen & Zeitmaschinen : GLAST 81