Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Ähnliche Dokumente
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Tag der offenen Tür 16. Oktober 2007

Kosmische Strahlung Teilchen aus den Tiefen des Weltraums. Prof. Dr. Ulrich Katz Erlangen Centre for Astroparticle Physics 16.

Moderne Methoden/Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Dunkle Materie und Teilchenphysik

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung

Institut für Strahlenphysik Dr. Daniel Bemmerer Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Altes und Neues zum Standardmodell

Uli Katz Moderne Physik am Samstagmorgen,

Das heutige Bild vom Aufbau eines Atoms

1) Teilchenbeschleunigung am LHC und im Kosmos

Dunkle Materie - Kandidaten aus der Teilchenphysik Proseminar WS 2010/2011: Kosmologie und Astroteilchenphysik

WIMP-Teilchen. Auf der Suche nach Cold Dark Matter mit astrophysikalischen Experimenten

T.Hebbeker. Thomas Hebbeker RWTH Aachen University. Aachen 10. Juni V 2.1

Einführung in die Astroteilchenphysik. Hermann Kolanoski Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin

Kosmologie. der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Standard-Modell der. Kosmologie

Hochenergetische Teilchen als Boten aus dem Kosmos

T.Hebbeker. Astrophysik. Astroteilchenphysik Kosmologie. Thomas Hebbeker RWTH Aachen April

Experimentelle Suche nach Dunkler Materie

Einführung in die Astroteilchenphysik

Und es werde Licht. Die kosmische Hintergrundstrahlung

DIE THERMISCHE GESCHICHTE DES UNIVERSUMS & FREEZE-OUT. 14. Dezember Kim Susan Petersen. Proseminar Theoretische Physik & Astroteilchenphysik

Supersymmetriebrechung

Dunkle Materie und dunkle Energie

Themen. 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble. 2. Die Kosmologischen Epochen. 3. Die Hintergrundstrahlung

Standardmodell der Kosmologie

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie

Die untere Abb. ist die Differenz zu einem Modell mit q 0 = 0, also (m M) = log (1 q 0 ) z +...

7 Teilchenphysik und Kosmologie

Astroteilchenphysik I

Netzwerk Teilchenwelt

Vorlesung 11: Roter Faden: 1. Neutrino Hintergrundstrahlung 2. Kernsynthese. Photonen (410/cm 3 ) (CMB) Neutrinos (350/cm 3 ) (nicht beobachtet)

Urknall rückwärts: Experimente an den Grenzen der Physik. Peter Schleper Universität Hamburg

Neue Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Neue Horizonte in der Teilchenphysik - Vom Higgs-Teilchen zur Dunklen Materie im Universum -

Evidenzen zur dunklen Materie Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik 2009 Mirjam Oertel

Kosmische Strahlung. Seminarvortrag am Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik. Markus Ostler

Einheit 13 Subatomare Physik 2

11.4 Dunkle Materie und Dunkle Energie. Seite 38 Kapitel 11.

Hinweise auf dunkle Materie

Suche nach Dunkler Materie

Kosmogonie. Das frühe Universum. Vom Urknall bis zur Rekombination

Indirekte Nachweismethoden für Dunkle Materie

Die dunkle Seite der Kosmologie

Einstein(s Gleichungen) und die dunkle Seite des Universums. Joerg Jaeckel Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)

Dunkle Materie Martin Schneider

Kai Zuber Institut für Kern- und Teilchenphysik TU Dresden

Kosmologie. Wintersemester 2014/15 Vorlesung # 4,

= Synthese der leichten Elemente in den ersten 3 min nach Urknall (T = 10 MeV 0.1MeV)

Mit grossen Maschinen (auf der Suche nach dem Kleinsten

Die Rätsel des 21. Jahrhunderts

Kapitel 1. Einführung

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

Experimentelle Astroteilchenphysik. Prof. Dr. Dieter Horns Dr. Tanja Kneiske

Fortgeschrittene Experimentalphysik für Lehramtsstudierende. Teil II: Kern- und Teilchenphysik

Der Urknall und die Kosmische Hintergrundstrahlung

Virialsatz. Fritz Zwicky. Vera Rubin. v 2 = GM r. Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 1

Hochenergie-Astro-Teilchen- Physik. Vorlesung SS 2006 Hans J. Pirner

Physik jenseits des Standardmodells

Jochen Müller. Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik

Das Rätsel der Dunklen Materie Erhellendes aus Universum und Labor

Kosmische Strahlung auf der Erde

6.3.2 Detektoren zum WIMP-Nachweis 1

Die Dunklen Mächte des Universums

Untersuchung der kosmischen Höhenstrahlung mit dem AMS01- Detektor im Weltraum

Kai Zuber Institut für Kern- und Teilchenphysik TU Dresden

Hauptseminar WS 2006: Hauptseminar WS 06/07 Martin Vogel

Standardmodelltests: W- und Z-Bosonen

8.3.2 Detektoren zum WIMP-Nachweis 1

Das Moderne Universum II

Das Geheimnis der. Dunklen Materie. Woraus besteht das Universum?

Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen im SS Die Temperaturentwicklung des Universums

Neutrinoteleskope Astrophysikalisches Seminar WS 09/10 7. Dezember Wiebke Eikmann

Vom Elementarteilchen zum Universum Verbindungen zwischen den Welten des ganz Kleinen und des ganz Großen

Der Urknall. Wie unser Universum aus fast Nichts entstand

Kapitel 3. Kosmische Strahlung. 3.1 Einführung 1

Dunkle Materie und Dunkle Energie. Claus Grupen 2014

SUSY - TEILCHEN. als Dunkle Materie. Theorie und Nachweis. Hauptseminar über Dunkle Materie Hilmar Schachenmayr

Der LHC. Neue Dimension[en] in der Teilchenphysik. Die Weltmaschine Darmstadt, August 2011

Kosmische Strahlung. Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall. Thomas Hebbeker RWTH Aachen Seniorenstudium

Das Standardmodell der Kosmologie

Elementarteilchen. wie wir sie bei LHC sehen können

Neutrinos und andere Geisterteilchen. M. Lindner

Ergebnisse der TeV Gammastrahlungsastronomie

Fundamentale Physik. < Grundfrage der Menschheit: woraus besteht, wie funktioniert alles? Teilchenphysik, Allgemeine Relativitätstheorie, Kosmologie

Astroteilchenphysik I

Seminarvortrag zur Astro- und Teilchenphysik am

Nieder-Energie-Neutrino-Physik

Die Bausteine der Natur

Kosmische Neutrinos. Sommersemester Universität Siegen Claus Grupen. Kosmische Neutrinos p. 1/52

1.3 Historischer Kurzüberblick

Astroteilchenphysik I

Kosmologie. Eine kurze Einführung. Sarah Aretz CERN

Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007

verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält

Pamela findet Antimaterie

Transkript:

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie Ulrich Husemann Humboldt-Universität zu Berlin Sommersemester 2008

Präsenzübung Welche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle? µ + e + ν e K + e + ν e n pe ν e π 0 γγ γ e + e e + e γγ (Leptonenzahlerhaltung) (schwach) (schwach) (elektromagnetisch) (Impulserhaltung) (elektromagnetisch) 2

Präsensübung Welche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle? p π + π 0 π K 0 e ν e K π 0 e ν e t W + b t Zc ++ pπ + (Baryonenenzahlerhaltung) (Energieerhaltung) (schwach) (schwach) (keine Flavor- ohne Ladungsänderung) (stark) 3

Kapitel 8.3 Entwicklung des frühen Universums

Geschichte des Universums Fortschreitende Zeit: Energie/ Temperatur nehmen ab (E = k B T T[K] 11605 E[eV]): Wichtige Epochen: t < 10 43 s: Urknall t < 10 34 s: Kosmische Inflation t < 1 s: Baryogenese t 3 min: Nukleosynthese t 380.000 Jahre: Entkopplung Materie Strahlung t 10 9 Jahre: Erste Sterne und Galaxien [CERN] 5

Big-Bang-Kosmologie: Probleme Horizont-Problem: Kontinuierliche Expansion: Bereiche des Universums mit Winkelabständen > 1 o bei Urknall nicht kausal verbunden (Informationsaustausch mit endlicher Lichtgeschwindigkeit) Aber (COBE, WMAP): CMB isotrop bis auf O(10 5 ) Flachheits-Problem: Analogie: Kugel auf Bergrücken Messung Energiedichte heute: Ω 0 = ρ/ρ krit = 1,0052 ± 0,0064 1 Expansion: labiles Gleichgewicht bei Ω 0 = 1 heutiger Wert nur, wenn Ω(10 43 s) - 1 < 10 60! 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 a(t) 0.5 2-2 0 1!(t) 6

Kosmische Inflation Kosmische Inflation (A. Guth, 1980): 10 34 s nach Urknall: kosmologische Konstante dominiert Energiedichte im Universum Universum expandiert für kurze Zeit exponentiell: (ȧ ) 2 H 2 = = Λ [ ] Λ Λ a 3 ȧ = a a(t)=c exp 3 3 t Ursache: Vakuumenergie von neuem Quantenfeld ( Inflaton )? Inflation Lösung für beide Probleme: Horizont: Expansion vergrößert kausal zusammenhängende Gebiete gesamtes sichtbares Universum vor Inflation kausal verbunden Flachheit: Expansion glättet jede Raumkrümmung 7

ΛCDM-Kosmologie Heutiges Standardmodell der Kosmologie: ΛCDM Flaches Universum Inflation Kosmologische Konstante Λ Kalte dunkle Materie (cold dark matter, CDM) Kompatibel mit allen Beobachtungen, aber offene Fragen: Kandidaten für dunkle Materie (WIMPs? Entdeckung am LHC?) Ursache der kosmologischen Konstante? Ursache der Inflation? 8

Kapitel 8.4 Experimente zu Dunkler Materie

WIMPs und Supersymmetrie WIMPs: schwere ungeladene Teilchen, stabil WIMP-Kandidaten z.b. in Theorie der Supersymmetrie Supersymmetrie = Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen (die letzte verbleibende Symmetrie) Partnerteilchen zu jedem Standardmodellteilchen Fermionen (Spin 1/2) Spin-0-Partner ( Squarks und Sleptonen ) Eichbosonen (Spin 1) Spin-1/2-Partner ( Gauginos ) Leichtestes supersymmetrisches Teilchen stabil WIMP- Kandidat: neutrales Gaugino ( Neutralino ) 10

DM-Suche an Beschleunigern Signatur am LHC: fehlende transversale Energie (ähnlich Neutrino) Z.B. Kaskadenzerfall in Squark-Produktion pp q q Squark Neutralino 11

DM-Suche ohne Beschleuniger Idee: WIMP-Wechselwirkung mit Atomkern und Elektron Ionisation und Wärme durch Rückstoß Beispiel CDMS-II (cold dark matter search): CDMS-Detektormodul Detektor in Soudan-Mine (Minnesota) Abschirmung kosmische Strahlung Ionisation und Rückstoß in Germanium- und Siliziumblocks bei 10 mk (gegen thermische Bewegung) Bisher keine Hinweise auf WIMPs [http://cdms.berkeley.edu/] 12

Kapitel 9 Astroteilchenphysik

Überblick Untersuchung von teilchenphysikalischen Vorgängen im Universum Quellen kosmischer Strahlung und Beschleunigungsmechanismen Transport und Ablenkung durch interstellares Medium Detektoren mit Methoden aus der Teilchenphysik Luftschauerarrays Gammastrahlenteleskope Neutrinoteleskope 14

Kapitel 9.1 Energiespektrum der kosmischen Strahlung

Kosmische Strahlung Entdeckung (V. Hess, 1912): Ballon in bis zu 5 km Höhe Resultat: Gasionisation nimmt mit Höhe zu Höhenstrahlung Ca. 1/3 der natürlichen Strahlenbelastung am Erdboden Quellen: Sonne, weitere intra- und extragalaktische Quellen 16

Energie geladener Teilchen Direkte Messung (< 10 5 GeV): Ballons, Satelliten, ISS Absorption in Atmosphäre große Höhen (>30 km) Teilchenphysikdetektoren: Silizium, Kalorimeter, Cherenkov Indirekte Messung ( 10 5 GeV): Luftschauerarrays WW mit Atmosphäre: ausgedehnte Luftschauer Großflächige Arrays Sampling des Luftschauers [www.auger.de] 17

[www.astroteilchenphysik.de] 18

Pierre-Auger-Observatorium Standort: Malargüe (Argentinien) Hybriddetektor: 1600 Wasser-Cherenkov- Detektoren (1,5 km Abstand) 3000 km 2 (> Saarland) 4 Detektoren für Fluoreszenzlicht aus Luftschauer Messungen von Richtung, Energie und chemischer Zusammensetzung (Fe oder H)? [www.auger.de] 19

Energiespektrum Ein Teilchen pro km 2 und Jahr mit E > 10 9 GeV Schwerpunktsenergie wie bei LHC (14 TeV) [www.astroteilchenphysik.de] 20

Energiespektrum Unterhalb von E = 10 GeV: Ablenkung durch Sonnenwind und Erdmagnetfeld Oberhalb von 10 GeV: Intensität (= Teilchen pro Energie, Fläche, Raumwinkel und Zeit) folgt Potenzgesetz Quellen nicht thermisch (Planck sches Strahlungsgesetz: exponentielle Intensitätsabnahme) < 10 7 GeV: γ = 2.7 I(E)= 10 7 GeV: γ = 3.0 Knie im Energiespektrum 4 10 9 GeV: γ < 3.0 Knöchel im Energiespektrum 5 10 10 GeV: GZK-Cutoff d 4 N de dadωdt E γ 21

Energiespektrum Knie und Knöchel: Ursache: keine eindeutige Lehrmeinung Erklärungsversuche: Teilchen entkommen aus galaktischen Magnetfelder, Änderung des Beschleunigungsmechanismus GZK-Cutoff (Greisen, Zatsepin, Kuz min): ca. 5 10 19 GeV Protonen aus kosmischer Strahlung reagieren mit CMB- Photonen resonante Produktion von Pionen p + γ + pπ 0 p + γ + nπ + Teilchen mit höheren Energien müssen von Quelle mit Abstand < 75 Mpc stammen, um nicht absorbiert zu werden Experimentell bestätigt (HiRes Fly s Eye 2007, Auger 2008) 22

GZK-Cutoff )) -1 s -1 sr -1 ev -2 lg(j/(m 3 10-31 -32-33 -34-35 -36-37 18 7275 41722634 19 10 19 2 10 19 4 10 1804 1229824 561 405 259 171 105 74 31 19 11 20 10 7 E (ev) 20 2 10 1 )-1-2.69 J/(AxE 1 0.5 0 Auger HiRes I GZK-Cutoff -0.5 Knöchel -1 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 20.2 20.4 lg(e/ev) [www.auger.de] 23

Hochenergetische Photonen Ziel: Suche nach Punktquellen (γ nicht abgelenkt) Kosmische Photonen mit E > 100 GeV Luftschauer mit Cherenkov-Kegel um Schauerachse Beispiel: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) 4 Spiegelteleskope in Hochebene nahe Gamsberg, Namibia Nachweis des Cherenkov-Lichts [http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/hess/hess.html] 24

Neutrino-Astronomie Suche nach Punktquellen kosmischer Neutrinos Reaktion ν µ + Kern µ + X Cherenkov-Licht des μ mit Photomultiplier nachweisen Detektoren mit guten optischen Eigenschaften (= durchsichtig) Wasser: Baikalsee, Antares (Mittelmeer), Eis: AMANDA, IceCube (Südpol) Detektorvolumen: 1 km 3 [icecube.wisc.edu] 25