Das Frühe Universum Von Planck-Epoche zu H & He

Transkript

1 Das Frühe Universum Von Planck-Epoche zu H & He Max Camenzind Senioren Uni WS 2017 Quark-Gluon-Lepton Plasma

2 CMB bestätigt die Urknall-Hypothese 1964

3 Urknall wird immer falsch dargestellt

4 Was ist falsch an dem Bild?

5 Wir sind Teil des Universums Big Bang

6 Das Universum ist eine 4D RaumZeit Lemaître 1931; erklärt dies 1933 Albert Einstein Das Universum als 2D Einbettung R xs 1 Zeit in 50 Mrd. Jahren S³ heute Big Bang

7 Die Themen Universum war früher dichter und heißer. thermische Geschichte des Universums. Dichte und Temperatur divergieren für t 0; Planck-Epoche und Inflation Strukturen Standard-Modell der Teilchenphysik 2 Bereiche: (k B T < 1 TeV und k B T > 1 TeV) Quark-Hadron Phasen-Übergang heutige Materie; 3 min: Primordiale Nukleosynthese 25% He a: Rekombinations-Ära CMB; Dunkle Epoche: Von Rekombination zu Galaxien. [1 TeV = 1000 GeV = 1000 Protonen]

8 Dichte-Entwicklung im expandierenden Universum für Zustandsglg. P = w r c² 1 + z = R(t 0 )/R(t)

9 Bereits 1965 haben Dicke & Peebles die Thermische Geschichte diskutiert TR = const R/R 0

10 3 Phasen Materie-Entwicklung Strahlungs- Dominanz Materie- Dominanz Dunkle Energie- Dominanz a heute Kritische Dichte 1,0 x kg/m³

11 Materie- Dominanz Dunkle Energie Temperatur und Dichte seit Urknall Strahlungs- Dominanz

12 Planck Epoche Inflation Temperatur des Universums: RT = const Je kleiner das Universum, desto heißer D, He, Li gekocht heute Quark- Gluon- Lepton Plasma Zeit nach dem Big-Bang Sterne und Galaxien 2,725 K 13,8 Mrd. Jahre

13 Inflation Quark-Gluon-Plasma p, n, n H, He??

14 Expansion in 5 Phasen I - V Planck-Einheiten: t P = sec, L P = m IV V Thermische Universum Entropieerhaltung III 50 Gpc ~2 L P II I Unbekanntes Territorium Entropieerzeugung Beschleuniger- Physik Tevatron, LHC Camenzind 2011

15 Quanten-Gravitation k B T (GeV) Planck-Epoche Physik des Urknalls RxT = const GUT PT, Inflation SO(10) SU(3) c x SU(2) L x U(1) Y Elektroschwach PT Quark-Confinement PT Neutrino-Entkopplung Quark-Lepton- Gluon Plasma Hadronen Leptonen Kern- Synthese Kerne entstehen Photon- Entkopplung Photonen- Epoche Sterne, Galaxien s s s 10-5 s 1 s 3 min a PT: Phasenübergang Kosmische Zeit 14 Mrd a t

16 Die Planck Einheiten Die Planck-Skala, benannt nach Max Planck, markiert eine Grenze für die Anwendbarkeit der bekannten Gesetze der Physik. Die Planck-Einheiten, benannt nach Max Planck, bilden ein natürliches Einheitensystem für Masse, Länge, Zeit und Temperatur. Auf diesen Skalen erscheint der Raum quantisiert.

17 Quantengravitation - Planck-Einheiten aus Planck-Konstante, Grav.-Konstante & c Planck Masse, Länge und Zeit: m 1/ 2 1/ 2 1/ 2 Planck Temperatur: L t kt P P P P hc G Gh 3 c Gh 5 c m c P 2, kg, m, s. T t : t P K, reached at P. Zur Planck-Zeit folgt kosmische Energiedichte aus T / c m c L, und Raum ist gequantelt P P P Gravitationsradius = Compton W Länge 2 GmP / c / m c P

18 Big Bang = Quanten-Brücke Genesis des 21. Jh.: am Anfang war nur Gravitation, daraus materialisierten die Quarks, Photonen, Gluonen und Leptonen Big-Bang Quantenbrücke Frühere Welt Unsere Welt Zeit

19 Das Quanten Universum Martin Bojowald Spiegel 2009

20 Was ist der Big Bang Single Quantum? 3-dimensionale Kugelfläche S³ mit Radius ~ einige Planck-Radien (~ m) wächst exponentiell (Inflation); Quantenfluktuationen gefrieren aus m Das moderne Urei S³

21 Inflations-Pioniere Von Alan Guth 1980 vorgeschlagen zur Lösung: Horizont-Problems Flachheits-Problems Struktur-Problems Von Andrei Linde weiter entw. Wesentliche Idee: Universum macht exponentielle Expansion in früher Zeit durch. Alan Guth MIT Andrei Linde Stanford 1990

22 Alan Guth Alan Harvey Guth, geboren am 27. Februar 1947 in New Brunswick, New Jersey, USA. Alan Guth stammt aus einem einfachen Elternhaus, aus dem er nicht viele Anregungen für seine spätere Laufbahn gewinnen konnte. Sein Vater führte verschiedene Geschäfte in New Brunswick. In Cornell und Stanford entwickelte er unter dem Einfluss von Robert Dicke und Steven Weinberg gemeinsam mit seinem Studienkollegen Henry Tye kosmologische Modelle unter Hinzuziehung von Erkenntnissen aus der Teilchenphysik. Wichtigstes Ergebnis dieser Arbeit war die Erkenntnis, dass das Universum in der frühen Phase kurz nach dem Urknall ein exponentielles Wachstum, angetrieben durch eine Vakuumenergiedichte, haben musste. Das Modell entwickelte er ab 1979, 1981 publiziert.

23 1. Horizont-Problem: Kausaler Kontakt? Unser Platz Q Rotverschiebung z

24 Warum haben entgegengesetzte Patches auf LSS genau dieselbe Temperatur? Photosphäre LSS z = 1080 Warum T A = T B?

25 2. Flachheits-Problem: Warum D?

26 3. Struktur-Problem: Ursprung Cosmic Web? 100 Mpc

27 Lösung von Guth & Linde: Idee des Inflationären Universums A. Linde 1981

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29 Heute 4 Wechselwirkungen bekannt

30 4 Wechselwirkungen Urgravitation SO(10)

31 Inflation Kräfte zwischen Teilchen Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall? Alles ist Geometrie? heutige experimentelle Grenze

32 Inflation Fluktuationsgenerator Fluktuationsverstärker Bruchteil Sekunde Jahre 400 Mio. Jahre 13,8 Mrd. Jahre (Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team)

33 Das Inflationäre Universum: Bardeen-Lemaître-Universum Kugelschalen James Bardeen 1980 Räumliche Topologie: k = {+1,0,-1} S k = {sin c, c, sinh c} F: Newtonsches Potenzial in Inflation erzeugt stochastische Variable Leistungsspektrum F-Raum Leistungsspektrum: skalenfrei Spektralindex: n s = 0,960 Amplitude: A s = 2,43 x 10-9

34 Wellenlängen einfach durch Expansion gestreckt Inflation Dichtefluktuationen Horizont LCDM Dauer der Inflation Horizont de Sitter Camenzind 2010

35 Konsequenzen aus Grafik Je länger die Inflation dauert, umso größer wird das heutige Universum: löst das Flachheitsproblem R 0 > 10 R H, W k < 0,01. Inflation muss mindestens Planck-Längen expandieren: genauer N = log(a > /a < ) > 30, sonst keine Fluktuationen auf heutiger Horizont- Skala, im Bereich von 4 Gpc (mit COBE detektiert). Photonen und Quark-Gluon Plasma werden am Ende der Inflation erzeugt Mechanismus? QGL-Plasma aus Vakuum-Energie erzeugt! Dauer der Inflation hängt eindeutig mit der heutigen Krümmung zusammen dies ist messbar!

36 Erfolge der Inflation Inflation löst Flachheitsproblem, Horizontproblem & vieles mehr: N = log(a > /a < ) > 32. Inflation ist die Quelle für Störungen auf dem Friedmann-Hintergrund via Quanten-Fluktuationen im Frühen Universum F ~ Diese Störungen bleiben eingefroren, wenn einmal durch die Expansion auf Skalen jenseits des Horizonts gestreckt. wachsen erst wieder, wenn sie in Horizont eintreten. Leistungsspektrum und Spektralindex n s hängen vom speziellen Modell der Inflation ab.

37 Inflation Quark-Gluon-Lepton Plasma GeV > k B T > 200 MeV : q,lep,g,g,w,z,h,

38 Universum Aus Quarks entstehen p,n,p k B T = 170 MeV

39 Materie im Frühen Universum Alle Teilchen wechselwirken sehr schnell miteinander, da die Dichte hoch genug. Wechselwirkungsrate > Expansionsrate. Damit befinden sich alle Teilchen im thermodynamischen Gleichgewicht. Bosonen erfüllen Bose-Verteilung (Photonen, Gluonen, W und Z, Higgs); Fermionen die Fermi-Verteilung (Leptonen und Quarks, Massen unwichtig).

40 Bausteine normaler Materie Fundamentale Bausteine der Materie: Quarks & Leptonen Alle punktförmig Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft?

41 Quarks und normale Materie 1 Fermi = m Proton Neutron + 2 / 3 e 2 Fermi - 1 / 3 e + 2 / 3 e u d u - 1 / 3 e d d u +2/3 e Proton - 1 / 3 e Neutron

42 Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen 2 Fermi

43 Quark-Phasen-Diagramm Bei k B T < 170 MeV Quarks nicht frei!

44 Frühes Universum und Teilchenphysik Für Energien > 100 MeV benötigen wir die Teilchenphysik! Standard Modell der Teilchen-Physik: SU C (3) x SU L (2) x U Y (1) : Eich-Theorien für Energien unterhalb ~ 1 TeV gut getestet. Neutrino Physik deutet auf Abweichungen hin oberhalb dieser Energien. Supersymmetrische Extension? jenseits der TeV-Skala Colliders wie LHC und ILC. Existenz stabiler WIMPs (Neutralino)? Schwere Neutrinos mit m 1 ~ 5 TeV/c²?

45 Standardmodell 2012 Teilchenphysik E < TeV Masse Kräfte Leptonen

46 Standardmodell 100 GeV Physikalische Parameter SU(3) c x SU(2) L x U(1) Y

47 Effektive Anzahl dof für Relativistisches Plasma k B T ~ 1 MeV: g * = 2 + (7/8)( x2 ) = 10,75 Photonen, Elektronen, Positronen + 3 Neutrinos

48 Anzahl Freiheitsgrade kt < 1 TeV Electro-schwacher Phasen-Übergang Schwere Quarks & Bosonen erzeugt QCD Phasen-Übergang Mesonen frieren aus Nukleosynthese n Entkopplung e + e - Annihilation LHC g * = g B + 7g F /8 : Anzahl Freiheitsgrade

49 Inverse Kopplungskonstante Ungelöste Fragen im Standard-Modell TP Warum ist Gravitation so schwach? Woher bekommen Fermionen ihre Masse (d, u, s, e, )? Sog. Hierarchie-Problem Higgs Kein Platz für Dunkle Materie! Wie kann man die elektroschwache Symmetriebrechung erklären? Warum gerade drei Familien?? Warum mehr Materie als Anti- Materie? Wie kann Gravitation quantisiert werden? Was ist der Ursprung der kosmischen Vakuum-Energie? Gibt es noch mehr Dimensionen

50 Neutrinos koppeln via schwache WW (im Gleichgewicht) f (E,T) n e 1 E/kT 1 k B T ~ MeV t ~ sec n koppeln ab

51 Primordiale Nukleosynthese (BBN) 1948: Gamow, Alpher & Herman: chemische Elemente werden via nukleare Reaktionen in hot early universe ylem synthetisiert. Vorhersage der Existenz des CMB mit T ~ 5 K. jedoch keine schweren Elemente! George Gamow ( )

52 Sterne

53 Einfaches primordiales nukleares Netzwerk

54 Häufigkeits-Entwicklung

55 Primordiale Element-Häufigkeiten Konkordanz aus Beobachtung: Übereinstimmung der Element-Häufigkeiten über 10 Dekaden Großer Erfolg von Big-Bang CMB: n g = 411 cm -3 = n B /n g = (4 1) x W B = r B = r c n B m B 3H 2 /8pG W B h 2 = 0,022 aus CMB

56 Das Li-Problem Monte-Carlo (Ratenunsicherheit) BBN Berechnung als Funktion von oder W B h 2 vs. Beobachtungen. Annahmen: Nuclear data Häufigkeitsbestimmungen Mit aus WMAP- und Planck- Daten Agreement für 4 He, D und 3 He Differenz um Faktor 3 für 7 Li!

57 Monte-Carlo BBN versus η CMB BBN Berechnungen Beobachtungen Cyburt et al Coc & Vangioni He ± ± D/H 2.49± ± ± He/H 1.00± ±0.04 ( ) Li/H ± ± * Kernphysik Lösung des Li-Problems? *[Aver, Olive & Skillman 2011; Fields & Sarkar 2008; Bania et al. 2002; Sbordone et al. 2010]

58 Ionisiertes Universum Von Rekombination zu Reionisation Ionisiertes Universum Bei z 1080 bilden sich H-Atome in einem homogenen Medium bei T 3000 K im Gleichgewicht mit CMB- Strahlung. Reionisation beginnt mit ersten Sternen bei z 20 und endet bei z 6 mit HII Regionen, die von leuchtkräftigen Quellen erzeugt werden (erste Sterne und Quasare in Halos Dunkler Materie).

59 Zusammenfassung: Kurze Geschichte des thermischen Universums Expansion des Universums beginnt in der Planck- Epoche (Quantisierung wichtig). Was davor? Expandiert in Inflation exponentiell um ~ 32 Größenordnungen alle Skalen werden gestreckt. hinterläßt das Quark-Gluon-Lepton Plasma. Hadronen (heutige Materie) bilden sich erst im Quark-Hadronen Phasenübergang nach ~ 10 µsec, dank geringen Überschusses 10-9 an Materie. Nach 3 Minuten werden D, He und Li gekocht, jedoch keine schweren Elemente (C,N,O, ). Nach Jahren rekombinieren e und hinterlassen den CMB mit Anisotropien.

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