Astroteilchenphysik I
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- Hanna Simen
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1 Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Astroteilchenphysik I WS 2012/13 G. Drexlin (EKP) KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association
2 Astroteilchenphysik Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos c 0 Teilchenphysik c 0 Kosmologie Astroteilchenphysik Astrophysik G. Drexlin VL01
3 Astroteilchenphysik Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos von den Quarks zum Kosmos 3 Quarks in einem Proton Galaxien im Kosmos G. Drexlin VL01
4 Astroteilchenphysik Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos von Neutralinos zur Dunklen Materie SUSY-Neutralino Dunkle Materie im Kosmos G. Drexlin VL01
5 Astroteilchenphysik Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos von der Neutrino-Masse zu SNIIae Neutrino-Eigenschaften Supernova-Explosionen G. Drexlin VL01
6 Astroteilchenphysik Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos von Cosmic Rays zu SNR s Luftschauerpropagation Kosmische Beschleuniger G. Drexlin VL01
7 Vorlesung Astroteilchenphysik Struktur 8 ECTS Astroteilchenphysik I WS2012/13 Einführung, frühes Universum Strukturentwicklung, Dunkles Universum Kosmische Strahlung WS2012/13 galaktisch/extragalaktisch, Nachweis, Quellen Astroteilchenphysik II Teilchen & Sterne SS2013 Neutrinos, stellare Evolution, Gravitationswellen Kosmologie WS2012/13 Big Bang, kosmol. Modelle Entwicklung des Universums 6 ECTS 6 ECTS 6 ECTS G. Drexlin VL01
8 Vorlesung Astroteilchenphysik Struktur Astroteilchenphysik I : - Vorlesung ATP I: (15 Vorlesungen im WS2012/2013): 2 SWS = 4 ECTS Punkte - Übungen ATP I : (2h alle zwei Wochen) 1 SWS = 2 ECTS Punkte Blockübungen nach Semesterende ( 1 SWS) = 2 ECTS Punkte 8 ECTS Vertiefungsfach (VF) Ergänzungsfach (EF) Nebenfach (NF) Wahlpflichtfach (WPF) 20 ECTS 14 ECTS 8 ECTS 8 ECTS G. Drexlin VL01
9 Vorlesung Astroteilchenphysik Struktur Astroteilchenphysik I : - Vorlesung ATP I: (15 Vorlesungen im WS2012/2013): 2 SWS = 4 ECTS Punkte - Übungen ATP I : (2h alle zwei Wochen) 1 SWS = 2 ECTS Punkte Blockübungen nach Semesterende ( 1 SWS) = 2 ECTS Punkte 8 ECTS Übungen ATP-I: - Termin: Mi. 14:00-15:30 in 2-wöchigem Turnus, Ort: kleiner HS B - Aufgabenblätter: pdf-file auf Homepage / direkt per - Kriterien: Anwesenheit, Teilaufgaben sollen vorgerechnet werden - Organisation: alle Informationen via -liste Thomas Thümmler (thomas.thuemmler@kit.edu) Stefan Görhardt (stefan.goerhardt@kit.edu) G. Drexlin VL01
10 Vorlesung Astroteilchenphysik Struktur Experimentelle Astroteilchenphysik als Schwerpunktfach - erforderlich: 20 ECTS Punkte (8+6+6) - Vorlesung ATP I (8 ECTS) im WS - Vorlesung ATP II ( jeweils 6 ECTS) SoSe: Teilchen & Sterne, Gamma-Strahlung WiSe: kosmische Strahlung - SoSe: Messmethoden & Techniken der Experimentalphysik (6 ECTS) - WiSe: Kosmologie (6 ECTS) - WiSe: Elektronik - Beschleunigerphysik - Datenanalyse aktuell: (wird nicht regelmäßig angeboten) - WiSe: Detektoren für Teilchen- & Astroteilchenphysik in Planung: (wird nicht regelmäßig angeboten) - WiSe/SoSe: schwache Wechselwirkung in Astro-, Kern- & Teilchenphysik G. Drexlin VL01
11 Astroteilchenphysik I : Gliederung 1. Einführung 2. Frühes Universum 2.1 primordiale Nukleosynthese 2.2 kosmische Hintergrundstrahlung 3. Strukturentwicklung 3.1 heiße, warme & kalte dunkle Materie 3.2 heutige Strukturen: astronomische Evidenzen für DM 4. Dunkles Universum 4.1 WIMP-Kandidaten 4.2 Nachweis: Untergrundprozesse 4.3 Nachweis: indirekte & direkte Methoden 4.4 Axionen 4.5 Dunkle Energie G. Drexlin VL01
12 Kapitel 2 Frühes Universum primordiale Elementsynthese 3 K Hintergrundstrahlung Planck W. Fowler G. Drexlin VL01
13 Kapitel 3 Strukturentwicklung Strukturbildung mit heißer, warmer & kalter dunkler Materie heutige Strukturen & Galaxiendurchmusterungen, Evidenzen für DM G. Drexlin VL01
14 Kapitel 4 Dunkles Universum teilchenphysikalische Kandidaten für WIMPs kosmischer Untergrund direkter/indirekter Nachweis Axionen dunkle Energie c 0 c 0 g G. Drexlin VL01
15 Astroteilchenphysik II : Gliederung 5. Neutrinos 5.1 Einführung: Historie & Grundlagen, n Quellen 5.2 n-oszillationen: Übersicht 5.3 solare & atmosphärische Neutrinos 5.4 Beschleuniger- und Reaktor-Neutrinos 5.5 Neutrinomassen: ß-Zerfallskinematik & Suche nach dem 0nßß 6. Stellare Evolution 6.1 Entstehung & Entwicklung von Sternen 6.2 Weiße Zwerge & SNIae 6.3 SNIIae: Mechanismus, Neutronensterne & Pulsare 6.4 Supernova-Neutrinos 7. Gravitationswellen 7.1 astrophysikalische Quellen 7.2 Nachweis von Gravitationswellen: Laser-Interferometer G. Drexlin VL01
16 Kapitel 5 Neutrinos Neutrino-Massen & Mischungen, ß & 0nßß Zerfall, n Oszillationen Homestake G. Drexlin VL01
17 Kapitel 6 Stellare Evolution HRD, Sternentstehung, stellare Endstadien: weiße Zwerge & SNIae SNIIae & Neutronensterne Supernova-Neutrinos GRB SN Ia SN IIa G. Drexlin VL01
18 Kapitel 7 Gravitationswellen Gravitationswellen: astrophysikalische Quellen Nachweismethoden: Resonatoren & Interferometer G. Drexlin VL01
19 Astroteilchenphysik Querverbindungen - I Nobelpreis für Physik 2011 for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" WD SNIa Saul Perlmutter Adam G. Reiss Brian P. Schmidt G. Drexlin VL01
20 Astroteilchenphysik Querverbindungen - I SNIIa SNIae & dunkle Energie, SNae & CR s Pulsar CR SNR WD SNIa G. Drexlin VL01
21 Astroteilchenphysik Querverbindungen II WIMPs c Indirekte Suche nach Dunkler Materie: WIMP Annihilation im galaktischen Zentrum & Gammas aus SNR s c galaktisches Zentrum SNR IACT G. Drexlin VL01
22 Astroteilchenphysik Literatur (D) H.V. Klapdor, K. Zuber C. Grupen P. Schneider A. Unsöld, B. Baschek Teilchenastrophysik Astroteilchenphysik Extragalaktische Astronomie Der neue Kosmos Teubner Verlag (1997) Springer Verlag (2000) und Kosmologie Springer Verlag (2007) Überblick über Status & Das Universum im Licht Springer Verlag (2007) 7. Auflage, Einführung in offene Probleme der der kosmischen Strahlung Galaxien, Galaxienhaufen, Astronomie & Astrophysik Teilchenastrophysik Beschleunigung, primäre Kosmologie, Universum bei klass. Astronomie, Sonne dt. Originalausgabe & sekund. kosm. Strahlung hoher Rotverschiebung & Sterne, Kosmologie G. Drexlin VL01
23 Astroteilchenphysik Literatur (GB) D.H. Perkins L. Bergström, A. Goobar C. Grupen H.V. Klapdor, K. Zuber Particle Astrophysics Cosmology & Particle Astroparticle Physics particle astrophysics Oxford Univer. Press (2004) Astrophysics (2 nd Edition) Springer Verlag (2005) IoP Publishing (1997) Quarks & Leptons, expand. The Universe in the engl. Übersetzung der Universe, conservation rules advanced undergraduate light of cosmic rays dt. Originalausgabe dark matter, dark energy, level, technical appendices engl. Übersetzung der dt. Originalausgabe G. Drexlin VL01
24 Astroteilchenphysik in Deutschland Astroteilchenphysik im Fokus 2. Auflage (2007) Jahrgang 39, 1/2007 Herausgeber: KIT-PKM G. Drexlin VL01
25 Astroteilchenphysik weltweit - Fachartikel de.arxiv.org ATP-preprints in: astro-ph (Astrophysik) hep-ex, nucl-ex (Experiment) hep-ph (Phänomenologie) G. Drexlin VL01
![Teilchenphysik Zeit [s]](/docs-images/70/62255184/images/26-3.jpg "Energie [GeV] = 3")
![Stärke [3 10-17 m]](/docs-images/70/62255184/images/26-8.jpg "Reichweite [m] Potenzial")
26 1. Einführung elmagn. Kraft g Standardmodell der Teilchenphysik Zeit [s] Energie [GeV] = 3 Teilchenfamilien (Leptonen & Hadronen) + 3 Kräfte als Quantenfeldtheorie, Gravitation + Massenerzeugung (Higgsmechanismus) schwache Kraft Wechselwirkung Boson Masse [GeV] rel. Stärke [ m] Reichweite [m] Potenzial stark Gluonen αr -1 + βr elektromagnet. Photon 0 1 1/r schwach W +, W Z d(r) See-Quarks! Neutron Proton Strings? G. Drexlin VL01
27 Elementare Fermionen & Austauschbosonen 4.2 GeV 1.77 GeV Tau strange-quark bottom-quark top-quark 173 GeV < 2 ev Tau-n charm-quark starke Wechselwirkung Gluon-Selbstwechselwirkung asymptotische Freiheit Myon down-quark Photon Myon-n up-quark Vektorbosonen elektroschwache Symmetriebrechung Higgsmechanismus Gluonen schwach elektromagnetisch Elektron Higgs Elektron-n G. Drexlin VL01
28 Teilchenphysik offene Fragestellungen Ursprung der Masse Higgsmechanismus (Skalarfeld) Neutrinomassen ( see-saw Mechanismus?) Hierarchie-Problem schwache/planck Skala (250 GeV / GeV) Stabilisierung eines leichten Higgs ( SUSY?) Supersymmetrie Mechanismus der SUSY-Brechung? SUSY und dunkle Materie ( LSP als WIMP?) Baryogenese via Leptogenese? ( CP- Zerfälle von n H ) SM-Teilchen Peter Higgs SUSY-Teilchen G. Drexlin VL01
29 Instrumentarium: LHC CMS LHCb ATLAS ALICE G. Drexlin VL01
30 Instrumentarium: LHC CERN In the golden age G. Drexlin VL01
31 Längenskalen der Teilchenphysik Atom: R ~ m CMBR weiße Zwerge Kern: R ~ m ß & ßß-Zerfall SNIIa WIMP-Nachweis Nukleon: R ~ m Neutronensterne BBN Quarks: R < m n-wechselwirkung DM am LHC Big Bang G. Drexlin VL01
32 Längenskalen der Astrophysik/Kosmologie G. Drexlin VL01 1 AE Astronomische Skalen 1 AE m 1 LJ m = AE = Parallaxe pc 1 pc m = AE = LJ AE: astronomische Einheit große Halbachse der Erdbahn um Sonne LJ: Lichtjahr Lichtstrecke in t = 1 a pc: Parsec Parallaxensekunde
33 Kosmische Längenskalen & Standardkerzen Parallaxenmethode d-cepheiden-lichtkurven Supernova-Ia-Helligkeit HST 1 Parallaxe 1AE SN1994D Parallaxe: 1pc = 1 AE unter 1 (as) = 1 AE 180 (3600/p) 1989: Hipparcos (milli-as) 2013: ESA Mission GAIA Auflösung dq ~ 20 µas d = 1 pc 5 kpc d-cepheiden: pulsierende, leuchtkräftige Riesensterne, aus der beobachteten Pulsdauer absolute Leuchtkraft L L abs ~10 4 L d = 1 kpc - 50 Mpc Supernovae Typ Ia: weißer Zwerg in Binär- System: M > 1.4 M (Chandrasekhar-Limit) Kernfusion 12 C, 16 O Leuchtkraft L abs ~10 9 L d = 30 Mpc - 3 Gpc G. Drexlin VL01
34 Kosmische Längenskalen: km km: - SNIIa: Proto-Neutronenstern & Emission eines Neutrinopulses - Neutronensterne / Pulsare / Magnetare - Gamma-Ray Bursts / Gravitationswellen: Binärsystem-Merger kurzer GRB G. Drexlin VL01
35 Kosmische Längenskalen: pc pc: Supernova-Hüllen / Pulsarwind-Nebel - Fermi-Beschleunigung der kosmischen Strahlung in SN-Schockfronten - Fragestellung: hadronische/leptonische Beschleunigung - Methode: Beobachtung von TeV Gamma Strahlung Ø = 20 pc SN1006 Gas p p 0 g g G. Drexlin VL01
36 Kosmische Längenskalen: kpc kpc: Galaxien & DM-Halos - Evidenz für dunkle Materie: Rotationsgeschwindigkeiten Halo aus Dunkelmaterie (Größe & innere DM sub-struktur?) - galaktische Magnetfelder: Einschluss der CR bis E ~10 15 ev c 0 c 0 g G. Drexlin VL01
37 Kosmische Längenskalen: 1-10 Mpc 1-10 Mpc: Galaxiencluster (Bsp: Virgo-Cluster mit 2000 Galaxien) - Evidenz für dunkle Materie: Pekuliargeschwindigkeiten der Galaxien, Temperaturverteilung heißes Clustergas (X-rays), Gravitationslinsen, Cluster-Kollisionen: Trennung von DM und Baryonen - zentrale Cluster-Galaxie: supermassives black hole mit radio lobes: Quellen höchstenergetischer kosmischer Strahlung bis E = ev? MACS J0025 DM Baryonen G. Drexlin VL01
38 Kosmische Längenskalen: Gpc Gpc: kosmologische Distanzen - Propagation der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB): Gravitationspotenziale, CMB-Wechselwirkung mit CR s & TeV g s - Strukturbildung: free streaming der kosmischen Hintergrund- Neutrinos (CNB), large scale structures (LSS) & n-masse - SNIae & dunkle Energie - weak lensing G. Drexlin VL01
39 Kosmische Zeitskalen: Strukturbildung Singularität? G. Drexlin VL01
40 Kosmische Zeitskalen: die 4 Epochen quantendominiertes strahlungsdominiertes materiedominiertes L-dominiertes Universum L: kosmologische Konstante G. Drexlin VL01
41 Der Radius des Universums beobachtbares Universum Standard-Urknall Modell inflationäres Modell Quantengravitation G. Drexlin VL01
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(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/standardmodell)
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