TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Teilchenphysik und Kosmologie (teilweise in Anlehnung an Skript R. Klanner/T. Schörner) Caren Hagner Achim Geiser Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2007
ÜBERBLICK 1. Die quantenmechanische Beschreibung von Elektronen 2. Feynman-Regeln und Diagramme 3. Lagrange-Formalismus und Eichprinzip 4. QED 5. Starke Wechselwirkung und QCD 6. Schwache Wechselwirkung, elektro-schwache Vereinigung und der Higgs- Mechanismus 7. Der Higgs-Mechanismus 8. Mischung von Quarks und Leptonen 8.1 Eigenschaften der Neutrinos Massen und Oszillationen 8.2 CKM-Matrix und CP-Verletzung (nach Kosmologie) 9. Teilchenphysik und Kosmologie 9.1 Big Bang Modell 9.2 Dunkle Materie und Dunkle Energie 10. Jenseits des Standardmodells: Wie geht es weiter? Träume der Teilchenphysiker CH/AG SS07: Teilchenphysik II 2
Kosmologie zunehmende Energie -> Reise rückwärts in Geschichte des Universums -> Annäherung an den Urknall CH/AG SS07: Teilchenphysik II 3
9. TEILCHENPHYSIK UND KOSMOLOGIE *) 9.1 Big-Bang Modell - Expansion des Universums, Hubble-Konstante - Kosmische Hintergrundstrahlung - Geschichte des Universums (Urknall heute) - Flaches Universum und Inflationsmodell 9.2 Dunkle Materie und Dunkle Energie - Baryonische Materie - Evidenz für Dunkle Materie - Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung - Beschleunigte Ausdehnung des Universums Dunkle Energie - Zukunft des Universums Hubble Konstante:: Anfang 20 tes Jahrhundert: statisches Universum Einstein führt dazu kosmologische Konstante in die Zustandsgleichung des Universums (in ART) ein; später meine größte Eselei 1929: Edwin Hubble - Galaxien entfernen sich in alle Richtungen - Geschwindigkeit proportional zur Entfernung Hubble Konstante: H 0 70 km / s pro Mpc *) Folien zum Teil von Vorlesung O. Steinkamp Kernund Teilchenphysik, Uni Zürich WS 03/04 Eine sehr leserliche Einführung: Wie alt ist die Welt, F.Bosch Preprint GSI 2004-15 ( 1 pc = 1 par sec = 3.26 Lichtjahre ) CH/AG SS07: Teilchenphysik II 4
URKNALL CH/AG SS07: Teilchenphysik II 5
KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (CMB) CH/AG SS07: Teilchenphysik II 6
KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Vernichtungs-Strahlung) CH/AG SS07: Teilchenphysik II 7
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS CH/AG SS07: Teilchenphysik II 8
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS *) [10 19 GeV] für E > 2 M X für E < 2 M X ausfrieren keine Paarbildung nur Zerstrahlen falls Teilchen Antiteilchen- SymmetrieexaktbleibtkeineMaterieübrig! *) kb =8.610-5 ev/k T=300K ~ 1/40 ev CH/AG SS07: Teilchenphysik II 9
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS [~250 GeV LEP/TeVatron] [~.2 GeV] CH/AG SS07: Teilchenphysik II 10
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS [~ GeV] Hadronen -> γ s +... [~ MeV] warum??? CH/AG SS07: Teilchenphysik II 11
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS [0.1 MeV] CH/AG SS07: Teilchenphysik II 12
GESCHICHTE DES UNIVERSUMS [~ ev] CH/AG SS07: Teilchenphysik II 13
KRITISCHE DICHTE CH/AG SS07: Teilchenphysik II 14
ZUKUNFT DES UNIVERSUMS CH/AG SS07: Teilchenphysik II 15
MESSUNG DER ENERGIDICHTE Ω *) *) nach Abzug der Dipolkomponente (Bewegung relativ zum CMS Urknall!) CH/AG SS07: Teilchenphysik II 16
MESSUNG DER ENERGIDICHTE Ω δt=σa lm Y lm (θ,φ) C l = a lm 2 /(2l+1) 10 100 200 500 1000 l CH/AG SS07: Teilchenphysik II 17
INFLATIONSMODELL *) (Erinnerung: Aufblasen eines Ballons) *) viele Universen mit denen wir keinen Kontakt? CH/AG SS07: Teilchenphysik II 18
CH/AG SS07: Teilchenphysik II 19 *) um 50 Größenordnungen in 10-32 s *) Siedeverzug Größe des Universums INFLATIONSMODELL
BARYONISCHE MATERIE CH/AG SS07: Teilchenphysik II 20
DUNKLE MATERIE CH/AG SS07: Teilchenphysik II 21
DUNKLE MATERIE CH/AG SS07: Teilchenphysik II 22
WORAUS BESTEHT DIE DUNKLE MATERIE? CH/AG SS07: Teilchenphysik II 23
CH/AG SS07: Teilchenphysik II 24 ~ log(abstand) 0.0, 1.0 0.5, 0.5 1.0, 0.0 1.5, -.5 ΩM,Ω Λ BESCHLEUNIGTE EXPANSION
DUNKLE ENERGIE CH/AG SS07: Teilchenphysik II 25
VERGANGENHEIT U. ZUKUNFT DES UNIVERSUMS ν, ν, e e ν, µ, ν µ, ν τ ν τ CH/AG SS07: Teilchenphysik II 26
Neutrinos in der Kosmologie artist s view of the Big Bang ~400 ν s / cm 3! dunkle Materie?? T~1.7 K CH/AG SS07: Teilchenphysik II 27
TEILCHEN + KOSMOLOGIE: ZUSAMMENFASSUNG Zusammenfassung Kapitel 9 - Universum dehnt sich aus Standard Modell der Kosmologie: Big Bang Modell - Dank unseres Verständnisses der Teilchen- und Kernphysik können wir die Entwicklung des Universums bis zu etwa 10-11 Sekunden nach dem Urknall zurückverfolgen (T ~ 3 10 15 K oder ~ 250 GeV) - Extrapolation zu kürzeren Zeiten möglich mit Hilfe der Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (Große Vereinigung Quantengravitation) - Enges Zusammenspiel von Teilchenphysik und Kosmologie sowohl in den Methoden, als auch in Wissenschaft - Seit < 10 Jahren kennen wir dank astro-physikalischer Messungen (Schwarzkörperstrahlung, Rotationskurven Galaxien, Gravitationslinsen, Supernovae mit großer Rotverschiebung, ) die Zusammensetzung des Universums: - 5 % normale Materie (diese Vorlesung) - 25 % dunkle Materie (jenseits des SM?) - 70 % dunkle Energie (bisher gibt es nur Spekulationen um was es sich dabei handelt) Kosmologie + Teilchenphysik zur Zeit eines der spannendsten Gebiete der Grundlagenforschung Gruppen von UNI-HH aktiv in dieser Forschung CH/AG SS07: Teilchenphysik II 28