Das unbekannte Universum

Transkript

1 Das unbekannte Universum Ein Blick in den Aufbau der Materie Karsten Büßer Physik für Aufgeweckte Universität Hannover 30. Oktober 2004

2 Eine einfache Kinderfrage Warum ist es nachts eigentlich dunkel? Triviale Antwort (?): Weil die Sonne nicht scheint. Kann das wahr sein? Nehmen wir mal an, der Himmel wäre unendlich groß und das Universum wäre unveränderlich, unendlich alt und mit unendlich vielen Sternen gefüllt. Dann würden wir, wohin wir auch blicken, auf die Oberfläche eines Sterns schauen. Der Himmel müsste also auch nachts taghell sein! Er ist es aber nicht (das ist eine Beobachtung, also ein Experiment). Also kann was mit den Annahmen (dem Modell) nicht stimmen! Suchen wir also das Ende des Himmels:

3 Satellitenbild Europa Entfernung: ca. 800 km Photo: NASA Photo: ESA

4 Satellitenbild der Erde Entfernung: ca km

5 Der Mond Entfernung: ca km Photo: NASA

6 Die Sonne Entfernung: ca. 150 Mio km

7 Instrumente Das Very Large Telescope, Europäische Südsternwarte, Paranal, Chile

8 Instrumente II Das Hubble Space Telescope

9 Saturn Entfernung: ca. 1.2 Mrd km

10 Pluto Entfernung: ca. 3 Mrd Km

11 Ein Stern aus der Nähe Entfernung: ca. 600 Lichtjahre 1 Lichtjahr: ca Mrd km 600 Lichtjahre: ca. 5.5 Mio Mrd km

12 Der Krebsnebel Entfernung: ca Lichtjahre

13 Die Spiralgalaxie M83 Entfernung: ca. 15 Mio Lichtjahre

14 NGC 6872 Entfernung: ca. 300 Mio Lichtjahre

15 Der tiefste Blick ins All Entfernung: ca. 13 Mrd Lichtjahre

16 Ein Blick zurück nach vorn

17 Die Geschichte des Universums Graphics: CERN

18 Temperaturkarte des Universums

19 Das Echo des Urknalls Temperaturverteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung Alter des Universums: ca Jahre

20 Das Echo Analysieren Kosmische Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit der letzten freien Wechselwirkung zwischen Baryonen (Proton, Neutron, ) und den Lichtteilchen (Photonen). Oszillation stoppt mit der Formation der Atome Animation: W. Hu Photonen: Strahlungsdruck Gravitation: Anziehung

21 Eine kopernikanische Wende Wir (und die gesamte bekannte Materie) sind eine verschwindende Minderheit im Universum!

22 Dunkle Materie und Dunkle Energie

23 Dunkle Energie Eine unbekannte Kraft bläst unser Universum immer schneller auf

24 Die Geschichte des Universums Entstehung der gesamten (auch der dunklen!) Materie Graphics: CERN

25 Die Struktur der kleinsten Dinge Mensch: Entfernung zu benachbarten Sternen z.b. Sirius: km Atom: Mond Photo: NASA Proton: Kathedrale Quark: Tischtennisball

26 Dinge zerlegen

27 Der Urknall im Labor

28 Die Weltliga der Beschleunigerzentren

29 Das Deutsche Elektronen-Synchrotron in der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren Aufgaben und Ziele: Entwicklung, Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigerneschleunigern Elementarteilchenphysik Forschung mit Synchrotronstrahlung Gründung: 18. Dezember 1959 in Hamburg Standorte: Hamburg und Zeuthen Mitarbeiter: Hamburg: 1390, davon 300 Wissenschaftler Zeuthen: 170, davon 65 Wissenschaftler Etat: 160 Mio, 90% BMBF, 10% Hamburg/Brandenburg

30 DESY Internationale Zusammenarbeit: 3400 Wissenschaftler aus 280 Universitäten und Instituten aus 35 Nationen

31 DESY Standort Hamburg

32 DESY Standort Zeuthen

33 Beschleuniger am DESY

34 Beschleuniger am DESY

35 HERA-Tunnel

36 HERA-Experiment ZEUS

37 Die Struktur des Protons Elektron-Proton Kollision bei HERA E(Elektron) = 27.5 GeV E(Proton) = 920 GeV

38 Ergebnisse von HERA

39 Die elementaren Bausteine und Kräfte Elementare Kräfte elektromagnetische Wechselwirkung starke Wechselwirkung Photo: NOAA/DOC schwache Wechselwirkung Extrem erfolgreiche Arbeitshypothese: Was ist mit der Das Standardmodell Gravitation? der Elementarteilchenphysik Photo: SOHO (ESA & NASA) Photo: ESO

40 Die Vereinheitlichung der Kräfte

41 Welche Fragen sind offen? Was sind dunkle Materie und dunkle Energie? Gibt es nur ein Universum? Warum gibt es 12 (24) elementare Teilchen? Lassen sich die Kräfte weiter vereinheitlichen? Woher kommen die Massen der Elementarteilchen? m(top) = x m(up) = x m(elektron) m(top) m(au)!

42 Der Higgs-Mechanismus Das Standardmodell sieht masselose Austauschteilchen vor ABER: Nur das Photon ist masselos, m(w,z) = O(80-90 GeV)! Lösung (P. Higgs et al.,prl13:508pp,1964): Einführung eines neuen Feldes Die Wechselwirkung mit diesem zweidimensionalen Feld (Sombrero) erzeugt die Massen der Ws und Zs. Die Selbstwechselwirkung erzeugt ein massives Higgs- Boson. Dieser Mechanismus kann für die Massen aller Elementarteilchen sorgen.

43 Der Higgs-Mechanismus Graphics: CERN

44 Das Higgs Teilchen

45 Das Higgs Teilchen WANTED Dead or Alive! Das Higgs Teilchen ist der letzte fehlende Baustein des Standardmodells

46 Andere Welten Gibt es Supersymmetrie? Dunkle Materie? Gibt es mehr als vier Dimensionen?

47 Die Suche beginnt Die wichtigsten Aufgaben der Elementarteilchenphysik für die nächsten Jahre: 1. Den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells finden: das Higgs Teilchen 2. Hinweise auf eine fundamentalere Theorie des Universums suchen: Dunkle Materie Dunkle Energie Augen auf fürs Unerwartete!

48 CERN und LHC Photos and Graphics: CERN

49 CERN und LHC Photos and Graphics: CERN

50 CERN und LHC Photos and Graphics: CERN

51 CERN und LHC Beschleuniger und Detektoren im Bau Erster Strahl: Frühjahr 2007 Photos and Graphics: CERN

52 Elektronen vs Protonen

53 Elektronen vs Protonen Proton-Proton Kollision bei 14 TeV

54 Elektronen vs Protonen

55 Elektronen vs Protonen Elektron-Positron Kollision bei 350 GeV

56 Die Grenzen der Kreisbeschleuniger Ein Naturgesetz: Wenn man ein Elektron in eine Kurve zwingt, sendet es Synchrotronstrahlung aus. Die Strahlung reduziert die Energie der Elektronen Teilchenbeschleuniger sind die hellsten Lichtquellen der Welt Die Synchrotronstrahlung wird gut genutzt: Angewandte Forschung aus allen Bereichen der Naturwissenschaften und der Medizin

57 Die Zukunft ist gerade Wie lang müsste der nächste e + e --Kreisbeschleuniger sein, wenn er 1 TeV Kollisionsenergie aufbringen soll? Umfang: 675 km

58 Der ILC International Linear Collider ILC km Länge Elektron-Positron Beschleuniger bis 1 TeV Schwerpunktsenergie hohe Luminosität

59 ILC-Technologie Supraleitende Beschleunigungstechnologie 1m lange Hohlraumresonatoren Reinstraumbedingungen RF Frequenz: 1.3 GHz für ILC benötigt: ca Niob: supraleitend bei 2K für 500 GeV: ~25 MV/m Kühlmittel: flüssiges He für 1 TeV: >35 MV/m

60 Testanlage am DESY

61 Die Mitspieler am ILC Der ILC soll in internationaler Zusammenarbeit entwickelt und gebaut werden

62 The International Linear Collider

63 Ausblick Wo stehen wir heute? known The undiscovered Country

64 Kontakt Fragen, Anregungen, Kritik zum/am Vortrag: Fragen über DESY, Infomaterial, Besichtigungen: Karsten Büßer DESY - FLC Hamburg karsten.buesser@desy.de DESY - PR Hamburg desypr@desy.de