DIE THERMISCHE GESCHICHTE DES UNIVERSUMS & FREEZE-OUT. 14. Dezember Kim Susan Petersen. Proseminar Theoretische Physik & Astroteilchenphysik
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1 DIE THERMISCHE GESCHICHTE DES UNIVERSUMS & FREEZE-OUT 14. Dezember 2010 Kim Susan Petersen Proseminar Theoretische Physik & Astroteilchenphysik
2 INHALT 1. Das Standardmodell 2. Die Form des Universums 3. Energiedichten 4. Die Entstehung des Universums Vom Urknall bis zur Neutrinoentkopplung Die Nukleosynthese & Elementhäufigkeiten Das Ende der strahlungsdominierten Ära Rekombination
3 DAS STANDARDMODELL DER ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS Expansion durch Friedmann- Gleichungen beschrieben:
4 WAS SPRICHT FÜR DAS STANDARDMODELL DER ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS? Rotverschiebung der Galaxien expandierendes Universum Verteilung der Elemente im Kosmos (insb. H, He, D) gute Übereinstimmung mit den theoretischen Voraussagen Grenzalter der ältesten Sterne (ca. 13 Milliarden Jahre) Kosmische Hintergrundstrahlung
5 2) DIE FORM DES UNIVERSUMS Friedmann- Gleichungen Dichteparameter und die kritische Dichte
6 GESCHLOSSENES UNIVERSUM falls Λ = 0: Kontraktion durch Eigengravitation Big Crunch Ansonsten beschleunigte Expansion OFFENES UNIVERSUM Expansion bis zum Kältetod (Erreichen des absoluten Nullpunkts)
7 FLACHES UNIVERSUM Expansion kommt asymptotisch zum Stillstand, kehrt sich aber nicht um führt ebenfalls zum Kältetod Kritische Dichte knapp unterschritten? (große Messungenauigkeit!) offenes Universum
8 3) ENERGIEDICHTEN Allgemein gilt: Zustandsdichte: Für Photonen vereinfacht sich der Ausdruck zu: Integration liefert: Stefan-Boltzmann-Gezetz!
9 4) DIE ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS In der strahlungsdominierten Phase gilt:
10 PLANK-ÄRA t = s T = K E = GeV L = m ρ = g/cm 3 Urzeitliches Quantenvakuum Beliebig viele Dimensionen Spontane Symmetriebrechungen? Gravitation spaltet sich von Urkraft ab
11 INFLATION t = s Urkraft Starke Kraft Elektroschwache Kraft Symmetriebrechungen Inflation: Falsches Vakuum Universum dehnt sich um den Faktor aus! Inflationsmodell nur eingebettet ins Standardmodell!
12 BARYOGENESE Baryonen sind stark wechselwirkende Elementarteilchen (Hadronen) mit halbzahligem Spin (Fermionen). Baryonen bestehen aus jeweils drei Quarks. Leptoquarks: hypothetische Elementarteilchen, die gleichzeitig an Quarks und Leptonen koppeln wurden bisher nicht experimentell nachgewiesen Es gibt insgesamt 12 Leptoquarks: 3 X-Bosonen mit Q=+4/3e, 3 Anti-X-Bosonen mit Q=-4/3e 3 Y-Bosonen mit Q=+1/3e, 3 Anti-Y-Bosonen mit Q=-1/3e Mögliche Zerfälle X u + u X e + + d Y e + + u Y d + u Y d + ν e Begründung für Asymmetrie zw. Materie & Antimaterie
13 QUARK-ÄRA t = s T = K E = GeV X- und Y-Bosonen zerfallen endgültig Quark-Gluonen-Plasma t = s T = K E = 1000 GeV Elektroschwache Kraft schwache WW elektromagn. Kraft
14 HADRONEN-ÄRA t = 10-6 s T = K E = 1GeV Teilchen, die der starken WW unterworfen sind und aus Quarks (und deren Antiteilchen) bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen. Je nach Spin werden die Hadronen eingeteilt in Mesonen und Baryonen. Quarks setzen sich zu Hadronen zusammen Quark-Gluonen-Plasma verschwindet Schwere Hadronen sterben aus, nur Protonen und Neutronen überleben
15 LEPTONENÄRA t = 10-4 s T = K E = 100 MeV Energie der Photonen reicht nur noch zur Bildung von Leptonenpaaren Photonen überwiegen um den Faktor Protonen und Neutronen wandeln sich ineinander um Neutrinos entstehen und koppeln ab
16 NEUTRINO-ENTKOPPLUNG Bedingung für thermisches Gleichgewicht: Für Neutrinos: Leptonendichte über alle Temperaturen gemittelter Wirkungsquerschnitt der schwachen WW
17 NEUTRINOENERGIEDICHTE Zur Erinnerung: heutige Neutrinotemperatur ca. 1,9 Kelvin 6 Freiheitsgrade - 3 Neutrinosorten, 3 Antineutrinosorten - Jeweils nur 1 Spinzustand Neutrinos sind Fermionen!
18 NUKLEOSYNTHESE t = 10 s T = 10 9 K E = 0,1 MeV Kernfusion: p + n D + γ Freie Neutronen sind instabil (τ 15 min) n p + e - + ν e Restliche Neutronen Helium Li, Be
19 ELEMENTHÄUFIGKEITEN
20 DAS ENDE DER STRAHLUNGSÄRA Zur Erinnerung: Abhängigkeiten der Energiedichte von Skalenfaktor und Zeit für Strahlung und Materie Strahlung Materie Dichte Skalenfaktor Frage: Wann sind Strahlungs- und Materieenergiedichte gleich? Wir rechnen rückwärts
21 DAS ENDE DER STRAHLUNGSÄRA In der materiedominierten Ära gilt:
22 REKOMBINATION t = Jahre T = 3000 K E = 0,3 ev Kerne und Elektronen rekombinieren Strahlung wird nicht mehr von Elektronen absorbiert Das Universum wird durchsichtig 3K-Hintergrundstrahlung Dichtefluktuationen bilden sich aus Enstehung von Galaxien aufgrund gravitativer Effekte
23 VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT! GIBT ES NOCH FRAGEN?
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