Vom Big Bang zum heutigen Universum (

Kern/Teilchenphysik und Kosmologie Kern/Teilchenphysik und Kosmologie

19. Einleitung, Inflation, 19. Einleitung, Inflation,

Dunkle Materie & Energie des Vakuums Dunkle Materie & Energie des Vakuums

Antimaterie Antimaterie

Teilchen Massen Teilchen Massen ?

Vereinheitlichung der Kräfte ?

Materie-Antimaterie Asymmetrie ? Dunkle Materie ? Dunkle Materie ?

Teilchenphysik Kosmologie Teilchenphysik Kosmologie

Planck Skala Planck Skala

GUT Skala GUT Skala

Planck Skala

Quantenphänomene kontrollieren kleine Skala, Gravitation kontrolliert grosse Skala Beide spielen eine Rolle bei der grossen Skala

Reflektieren die Skala, welche bei der Quantengranularität der Raum-Zeit wichtig wird:

Fundamentale Konstante der Gravitation:

!

c = 2.99"10⁸ms^#1

Quantenmechanik Raum-Zeit

!

G = 6.6"10^#11m³kg^#1s^#2

!

= 6.7"10^#39h c(GeV /c²)^#2

!

h = 6.582 "10^#22MeVs

t_PL ist Zeit, die Licht braucht für eine Distanz von 10^-33cm, entspricht dem kleinsten Raum-Zeit Intervall, darunter Effekt der Quantenkrümmung der Gravitation so gross,

m_Pl = h G

"

# $ %

&

'

1/ 2

t_Pl = h G c⁵

"

# $ %

&

'

1/ 2 Planck SkalaPlanck Skala::

1010¹⁹¹⁹ GeVGeV, 10, 10^-33-33 cm, 10 cm, 10^-43-43 s s

Vom Big Bang (

Vom Big Bang (1010^{-33 -33} cmcm) zum heutigen Universum () zum heutigen Universum (1010^{28 28} cmcm))

Die erste Sekunde nach dem Big Bang “sets the scene”

1s = kurz ! Jedoch vollgepackt mit kosmischen Ereignissen

10^-43 s ^{T = 1032 K, 10-33} cm entspricht Durchmesser des Universums Teilchen und Antiteilchen: erzeugt und vernichtet

Gravitation separiert sich von anderen Kräften  Phasenübergang

10^-32 s Inflation hört auf: die viel langsamere Big Bang Expansion dominiertInflation hört auf: die viel langsamere Big Bang Expansion dominiert 2 Arten von Teilchen:

2 Arten von Teilchen: QuarksQuarks: fühlen starke Kraft: fühlen starke Kraft

Leptonen:Leptonen: fühlen die elektroschwache Kraft fühlen die elektroschwache Kraft

10^-35 s Inflation beginnt:Inflation beginnt:

Starke Kraft versucht sich von anderen Kräften zu separieren Quantenblasen können ins Vakuum entkommen

1 Blase bläht sich auf (inflates) mit grosser Geschwindigkeit:

Grösse verdoppelt jede 10^-34 s  Blase um 10⁵⁰ vergrössert Temperaturerhöhung um 10²⁷ K

Diese zusätzliche Energie wird abgegeben (Teilchen werden erzeugt)

Starke Kraft eingefroren  Phasenübergang

Vom Big Bang zum heutigen Universum (

Vom Big Bang zum heutigen Universum ( cont cont ) )

10^-10 s Elektroschwache Kraft spaltet sich auf: T = 10¹⁵ K  Phasenübergang Elektroschwache Kraft

Schwache Kraft

m_W ~ 80 GeV, M_Z ~ 90 GeV Elektromagnetische Kraft m_γ = 0

 

10^-6 s Quark “Massaker”:

Quarks und Antiquarks wurden erzeugt und vernichtet, wechselwirkten mit anderen Teilchen

Universum hat sich abgekühlt: T = 10⁹ K

 nicht mehr genügend Energie, um Quarkpaare zu erzeugen

 existierende Quarks annihilieren

 schaut aus, als ob Quarks für immer verschwinden

q _q _q _q

q_ q

q

Vom Big Bang zum heutigen Universum (cont)

1 s Neutrinos fliegen weg (sind heute immer noch vorhanden !)

 Universum wird transparent und mit Licht (Strahlung) gefüllt Universum wird transparent und mit Licht (Strahlung) gefüllt

10^-4 s Hadronen werden geformt

Universum hat Grösse unseres solaren Systems

Temperatur sinkt  Quark-Antiquark Annihilation hört auf

Übrig gebliebene Quarks kombinieren, um Protonen (uud) und Neutronen (udd) zu formen

d d

u u d

u

100 s Die ersten Elemente werden gebildet:

Protonen und Neutronen kombinieren und bilden ⁴He Nicht viel passiert in den nächsten ~ 100’000 Jahre

n npp

3 10⁵ Jahre Universum beginnt to leuchten

e^- bleiben bei Nukleonen  Atome werden gebildet

Strahlung nicht mehr stark genug, um Atome aufzubrechen e^- p

Energiedichte des Universums

Heute ^Nγ ~ 4 10⁸ / m³ (E ~ 2 10^-4 eV, T = 2.7 K)

N_B ~ 0.5 / m³ (E ~ 1 GeV)

—

B

Materie: ρ_m ~ 0.5 GeV / m³

Strahlung: ρ_r ~ 0.23 MeV / m³ für Photonen

ρ_r ~ 0.4 MeV / m³ für γ und ν  Materie dominiert

~300’000 Jahre nach Big Bang T ~ 3’000 K (“Entkopplungstemperatur”): ρ_m ~ ρ_r γ+ H  e^- + p: nicht mehr möglich, brauche dafür

E = 13.6 eV Ionisierungsenergie ( entspricht 1.6 10⁵ K) Photonen nicht mehr von H absorbiert

 Materie wird durchsichtig für Strahlung

T » 3T » 3’000 K ’000 K : Strahlung dominiert: Strahlung dominiert T « 3T « 3’000 K : ’000 K : Materie dominiertMaterie dominiert

The Cosmic Connection: The Big Bang

In the first microsecond there was only Particle Physics:

Elementary particles interact through fundamental forces

10¹⁹ 1015 10² Mass scale (GeV)

10^-33 10-29 10^-16 Distance (cm)

Strong force separated

Electromagnetic and weak forces united All forces separatedAll forces separated All forces

All forces unified unified

GUTGUT

Dunkle Materie ? Dunkle Materie ?

Teilchenphysik Kosmologie Teilchenphysik Kosmologie

~ 10 ~ 10

Galaxien Galaxien

~ 10 ~ 10

Sterne Sterne

~ 10 ~ 10

Atome Atome

Baryon

Baryon Dichte:Dichte:

nn_BB = (2.5±0.1)10= (2.5±0.1)10^-7-7 cm cm^-3-3 Universum ~ 10

Universum ~ 10^{28 28} cmcm

~ 10 ~ 10

Photonen Photonen

Baryon/Photon = 6.1 10 Baryon/Photon = 6.1 10^-10-10

Die versteckte Materie im Universum Die versteckte Materie im Universum

Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in Spiralgalaxien:

KEPLER:

Gravitation ≡ Zentrip. Beschleunigung

!

GM

r² = v² r

Daten: ν ~ konstant

Woher kommt die meiste Masse im Universum?

Ihre Existenz zeigt sich durch die Gravitation

Sie ist unsichtbar fürunsichtbar für Astrophysiker Dunkle Materie (DM)Dunkle Materie (DM)

Von CMB (Von CMB (CCosmicosmic M Microwaveicrowave BBackground):ackground):

vv rr

Zwicky (1933):

Ziel: messe Temperaturvariationen von CMB mit sehr grosser Genauigkeit

Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Hintergrundstrahlung ( ( CMB CMB ): ):

CMB: Ausgesendet als Temperatur des Universums ca 3000 K war (ca 300‘000 Jahre nach dem Urknall)

Atome wurden geformt, Universum wurde transparent

CMB: wichtig für kosmologische Parameter

Fluktuationen (Anisotropie)  Keime für Strukturformation  Erzeugen Strukturen die wir heute im Universum sehen

Universum expandiert  Licht erreicht uns als Mikrowelle

Gamma Rays X-Rays Ultraviolett

Sichtbares Licht

Infrarot Mikrowellen Radio, TV MW Herd WMAP

Elektromagnetische Wellenlängen (Meter)

10^-16 10^-14 10^-12 10^-10 10-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰ 10²

WMAP auf Umlaufbahn WMAP auf Umlaufbahn 1.5 10

1.5 10⁶⁶ km von Erde km von Erde

COBE 1992: Erste Hinweise auf Fluktuationen in CMB Fluktuationen  Strukturformation und CMB Anisotropie

Launch Juni 2001

Datennahme August, 2001

WMAPWMAP

WMAP:

WMAP:

Universum:

Universum: 4% Atome, 23% Kalte Dunkle Materie, 73% Dunkle Energie4% Atome, 23% Kalte Dunkle Materie, 73% Dunkle Energie

Eine Sequenz einer NASA Animation Eine Sequenz einer NASA Animation

Temperaturfluktuationen (gezeigt als Farbunterschiede) des ältesten Lichtes unseres Universums, welche kleinen

`Klumpen‘ im frühen Universum entsprechen

 Strukturen von Galaxien die wir heute sehen

Gravitation zieht Materie von Regionen von kleiner Dichte zu Region mit hoher Dichte

200 Millionen Jahre nach dem Big Bang: erste Sterne

Gas wurde verdichtet und auf genügend hohe Temperatur erhitzt

 Beginn der Kernfusion (wie in unserer Sonne)

Mehr Sterne beginnen zu leuchten

Galaxien formen sich entlang der`Staubfäden’ im Bild 2

Heute: Milliarden von Sternen und Galaxien:

10¹¹ Galaxien, 10²¹ Sterne, 10⁷⁸ Atome, 10⁸⁸ Photonen

Woraus besteht die Kalte Dunkle Materie ? Woraus besteht die Kalte Dunkle Materie ?

Das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) Das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP)

ist ein ausgezeichneter Kandidat für ist ein ausgezeichneter Kandidat für

Kalte Dunkle Materie Kalte Dunkle Materie

LSP und Kalte Dunkle Materie (KDM) LSP und Kalte Dunkle Materie (KDM)

"_C = 3H₀²

8#G =1.88$h²$10^%29g/cm³

Das leichteste SUSY Teilchen (

Das leichteste SUSY Teilchen (NeutralinoNeutralino,, LSP) ist ausgezeichneter LSP) ist ausgezeichneter Kandidat

Kandidat für die KDM in unserem Universumfür die KDM in unserem Universum

LSP hat eine Masse, ist neutral und wechselwirkt nur sehr schwach LSP hat eine Masse, ist neutral und wechselwirkt nur sehr schwach

mit normaler Materie mit normaler Materie

Alle SUSY Teilchen welche nach dem Big Bang erzeugt werden haben ein LSP Alle SUSY Teilchen welche nach dem Big Bang erzeugt werden haben ein LSP

am Ende der Zerfallskette

am Ende der Zerfallskette  Bad von Bad von LSPs im heutigen UniversumLSPs im heutigen Universum

LSP und Kalte Dunkle Materie LSP und Kalte Dunkle Materie

  Direkter NachweisDirekter Nachweis: LSP wechselwirkt mit Atomkern eines Detektors:

falls Galaxie mit LSP gefüllt 

viele LSPs sollten durch Detektor gehen wobei sie an dem Atomkern streuen

LSPs LSPs

Collision with atom

γ

  IndirekterIndirekter Nachweis: 2 LSPs können annihilieren und erzeugen bekannte Teilchen, z.B. ν, γ, e⁺

beobachte diese Teilchen z.B. im galaktischen Halo oder anderen Regionen im Weltall

Nachweismöglichkeiten des

Nachweismöglichkeiten des LSPs LSPs ( (χ) : :

MAGIC (

) Teleskop

Weltweit grösstes Cherenkov Teleskop Inauguration: 10.10.2003

Roque de los Muchachos in La Palma (2225 m)

Beobachtung von

energiereiche Strahlung (> 30 GeV)

ferner Galaxien, SNRs, AGNs, GRB, ..

(bis zu einige Milliarden Lichtjahre weit ins Universum)

Spiegel: ∅ 17 m

Kamera: 577 Lichtsensoren (3 ns) Gewicht des zu drehenden

Teleskops: ~ 40’000 kg Film: Zeit der Drehung

Aufgenommen während der Konstruktionsphase

1^o

~120m

~15 km

Schauer Entwicklung in Atmosphäre

Kamera:

576 schnelle PMs Licht pulse ~ einige

ns

GRBsGRBs

PHYSIK mit MAGIC PHYSIK mit MAGIC

AGNsAGNs

SNRsSNRs

CDMCDM Tests on QuantumTests on Quantum Gravity Effects Gravity Effects Cosmological

Cosmological γγ-ray-ray Horizon

Horizon Pulsars

Pulsars

Offene Frage: Materie-Antimaterie Asymmetrie

Wo ist die Antimaterie

geblieben

??

 Messung der geladenen kosmischen Strahlung

 Suche nach Antimaterie (z.B. Anti-Helium)

 Suche nach Kalter Dunkler Materie

Konzept eines Teilchenphysik

Detektors

Das AMS

(

)

AMS wird im Jahre 2008 auf der Internationalen Space Station ISS

auf einer Höhe von 430 km installiert.

AMS Abschlusstest am KSC AMS Abschlusstest am KSC Shuttle Crew besucht ETH

Shuttle Crew besucht ETH

((DezDez. 1997). 1997) Start: Start:

2.6.1998 2.6.1998

AMS im All AMS im All

AMS-O1: Shuttleflug STS-91

Prototyp von AMS ist während eines zehntägigen Fluges mit der Raumfähre Discovery im Jahre 1998 erfolgreich getestet worden  wissenschaftlichen Ergebnisse

AMS-O1: Shuttleflight STS-91: Resultate

AMS im All

AMS im All Antihelium/Helium Fluss VerhältnisAntihelium/Helium Fluss Verhältnis

AMS-01

Das Unverständlichste am Das Unverständlichste am

Universum ist im Grunde Universum ist im Grunde

dass wir es verstehen !

dass wir es verstehen !