Einführung in die Astroteilchenphysik

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1 Einführung in die Astroteilchenphysik Hermann Kolanoski Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin Wintersemester 2009/10

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3 Inhaltsverzeichnis Literaturverzeichnis v 1 Einführung 1 2 Die Entwicklung des Universums Einführung Das Urknall-Modell Die Metrik des gekrümmten Raums Entwicklungsphasen des frühen Universums Probleme des Urknall-Modells Inflation Nukleosynthese Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Temperatur und Spektrum der Strahlung Anisotropien im Mikrowellenhintergrund Multipol-Spektrum der CMB-Verteilung Interpretation des Multipol-Spektrums Bestimmung der kosmologischen Parameter Kosmische Strahlung Einführung Spektren Zusammensetzung Magnetische Effekte Ablenkung im Erdmagnetfeld Das galaktische Magnetfeld Intensitätsschwankungen Luftschauer Wechselwirkungen der Luftschauerteilchen Ionisation Bremsstrahlung Wechselwirkungen von Photonen Elektromagnetische Schauer Cherenkov-Effekt Übergangsstrahlung (TR) Methoden der Teilchenidentifikation Experimente zum Nachweis Kosmischer Strahlung i

4 ii INHALTSVERZEICHNIS Ballonexperimente Satellitenexperimente Ausgedehnte Luftschauer Gamma-Strahlung Das elektromagnetische Spektrum Satellitenexperimente für Gamma-Strahlung Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) Teleskope zum Nachweis von TeV-Photonen Quellen hochenergetischer Photonen Erzeugungs- und Verlustprozesse Hadronische Beschleuniger Elektronbeschleunigung und Strahlungsprozesse Absorption von hochenergetischer Gammastrahlung Neutrinos Überblick Solare Neutrinos Sonnenenergie Nachweis der Sonnenneutrinos Erklärungen des Defizits der Sonnenneutrinos Weitere Hinweise auf Neutrinooszillationen Atmosphärische Neutrinos Reaktor-Antineutrinos Neutrinos von Beschleunigern Neutrinooszillationen Formalismus der Neutrinooszillationen Ergebnisse für die 3-Flavour-Mischung MSW-Effekt Neutrinoastronomie bei hohen Energien Fragestellung Neutrinoteleskope Sternentwicklung Strukturbildung Gravitative Instabilität Entwicklungsstadien von Sternen Protosterne Kernfusion: Wasserstoffbrennen Heliumbrennen und C, O-Produktion Produktion schwerer Elemente Hertzsprung-Russel-Diagramm Stabilitätsgrenzen von Sternen Elektronenentartungsdruck Weiße Zwerge Supernova (Typ II) Supernova (Typ Ia)

5 INHALTSVERZEICHNIS iii Neutronensterne und Pulsare Schwarze Löcher Beschleunigungsmechanismen Gesamtenergie der Kosmischen Strahlung Magnetfelder und Plasmen Magnetische Spiegel und Flaschen Einschluß von Magnetfeldern in Plasmen Fermi-Beschleunigung Schockbeschleunigung in Supernova-Resten Schockwellen Beschleunigung in Schockwellen Pulsare Das Goldreich-Julian-Modell Nicht-ausgerichtetes Magnetfeld Suche nach gepulster TeV-Gammastrahlung Aktive Galaktische Kerne Gamma-Strahlungsausbrüche (GRB) Dunkle Materie Hinweise auf Dunkle Materie Kandidaten und ihre Eigenschaften Neutrinos WIMPs Axionen Topologische Raum-Zeit-Defekte Machos Modifikation der Graviationstheorie: Nachweis von Dunkler Materie Machos WIMP-Suche DM-Suche in Kosmischer Strahlung Nachweis von Axionen Beschleunigerexperimente A Astrophysikalische Konstanten 209 B Ergänzungen 213 B.1 Zustandsgleichungen B.2 Relativistic Beaming B.3 Virialsatz

6 iv INHALTSVERZEICHNIS

7 Literaturverzeichnis [1] T.K. Gaisser: Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge Univ. Press. [2] (die Vorträge, die unter Agenda als pdf-files abgelegt sind, geben einen hervorragenden Überblick über den Stand der Astroteilchenphysik). [3] C. Grupen: Astroteilchenphysik, Springer-Verlag (2001). Verbesserte Version in Englisch: C. Grupen: Astroparticle Physics, Springer- Verlag (2005). [4] C. Grupen: Astroparticle Physics, Springer-Verlag (2005). [5] T. Stanev, High Energy Cosmic Rays Springer-Verlag (2004). [6] M.S. Longair: High Energy Astrophysics, Vols. 1, 2, Cambridge Univ. Press. [7] A. Unsöld; B. Baschek: Der neue Kosmos, Springer-Verlag. [8] Demtröder: Experimentalphysik Bd. 4, Kern-, Teilchen- und Astrophysik, Springer Verlag. [9] H.V. Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: Teilchenastrophysik Teubner-Verlag. [10] D. Perkins: Particle Astrophysics, Oxford University Press (2003). [11] P. Coles, F. Lucchin: Cosmology, Wiley Verlag [12] S. Rosswog and M. Brüggen: Introduction to High-Energy Astrophysics, Cambridge University Press, [13] P. Schneider: Einführung in die Extragalaktische Asstronomie und Kosmologie, Springer-Verlag [14] R. Schlickeiser: Cosmic Ray Astrophysics, Springer-Verlag [15] S. Weinberg: Die ersten drei Minuten, Pieper Verlag [16] H. Fritzsch: Vom Urknall zum Zerfall, Pieper Verlag. [17] C. Amsler et al. [Particle Data Group], Review of Particle Physics, Phys. Lett. B 667 (2008) 1; Kompakte Zusammenfassung: Particle Data Group: Particle Physics Booklet, 2008 (alle 2 Jahre neu). [18] [19] Diplomarbeit Humboldt-Universität 2005, [20] Dissertation, Humboldt-Universität 2006, ackermann-markus /pdf/ackermann.pdf v

8 vi LITERATURVERZEICHNIS