3. Flachheitsproblem 4. Baryon Asymmetrie

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Vorlesung 13:

Roter Faden:

1. Inflation und Powerspektra 2. Horizontproblem

3. Flachheitsproblem 4. Baryon Asymmetrie

5. Grand Unified Theories

6. Nachweis der Supersymmetrie 7. Fragen

8. „Deep Questions“

9. Prüfungsthemen

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Aus Weidker, Wendker:

Astronomie und

Astrophysik

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Quantenfluktuationen ∝

Wenn ‘slow roll‘ Bedingungen erfüllt, dann dΦ/dt konstant und die Expansion verläuft gleich in allen Richtungen. Dies ergibt Dichtefluktuationen wie ‘white noise’

Inflation: Quantenfluktuationen erzeugen skaleninv.

Dichtefluktuationen für flaches Potential!

Aus: Alan Guth, The inflationary Universe

t

x

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Evidenz für Inflation aus der CMB

Die Entdeckung der akustischen Peaks nennt man wohl die zweite Revolution in der Kosmologie.

Die erste war die Entdeckung der Skaleninvarianz der Anisotropien der CMB durch den COBE Satelliten, der gemessen hat das die Temperaturschwankungen der CMB unter großen Winkeln überall gleich sind!

Dies war der erste experimentelle Hinweis auf eine Inflation im frühen Univ.!

Inflation vorher postuliert von Alan Guth in 1982 um Monopol-Problem zu lösen. Inflation löste gleichzeitig Flachheitsproblem und Horizontproblem.

Aus A. Guth,

The inflationary

Universe.

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Horizontproblem

Problem:

A und B haben gleiche Temperatur.

Photonen aus A 10

yr unterwegs.

Photonen aus B 10

yr unterwegs, aber in entgegengesetzte Ri. Wie können A und B die gleiche Temp. haben, wenn das Univ.

nur 10

yr alt ist?

Problem noch viel schlimmer, wenn

man Anzahl der nicht kausal zusammen-

hängenden Gebiete zum Zeitpunkt der

Entkoppelung betrachtet!

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Horizontproblem

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Inflation und Horizont

Durch Inflation wird Horizont (=sichtbare Universum=ct=c/H=Hubble Radius) klein gegenüber expandierte Raum-Zeit. D.h.

Regionen mit kausalem Kontakt vor Inflation Nicht mehr im kausalen Kontakt

(„leave horizon“), aber haben gleiche

Temp. Sehr viel später wieder in kausalem

Kontakt (“reentering horizon“).

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Flachheitsproblem

(S/S)

= 8πG/3 (ρ

+ρ

+ ρ

- k/S

) mit ρ

= Λ/ 8πG

Mit ρ

= 3H

/ 8πG, ρ

=ρ

+ρ

+ ρ

und Ω

= ρ

/ ρ

folgt:

k/H

S

= Ω

-1 ∝ kt

, da H∝ 1/t und S ∝ t

.

Da experimentell Ω

≈ 1 und t ≈ 10

s muss gelten: k ≈ 10

Heutige Universum SEHR FLACH.

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Zum Mitnehmen

Inflation erklärt, warum

•CMB Temperatur in allen Richtungen gleich (Horizontproblem gelöst)

•CMB Temperaturfluktuationen skaleninvariant.

• Universum absolut flach (Flachheitsproblem gelöst)

• Gesamtenergie des Universums gleich 0 (free lunch)

• Masse im Universum (aus Inflationsenergie)

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17 Feb 2005 Kosmologie, WS 05, Prof. W. de Boer ¹² Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one.

Hence many models to explain Baryon Asym.

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Proton decay expected in GUT’s

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R-Parity

Proton decay

Without R-parity fast Proton decay!

Only possible interactions of Lightest Supersymmetric Particle (LSP) with matter: elastic scattering or production of squarks or sleptons, since at each vertex there should be always to SUSY particles to get R=+1

χ χ

q q

Z,h,A

χ q

q ∼ q χ

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Some production diagrams

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Supersymmetry

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Symmetrie zwischen Fermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

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Gauge Coupling Unification in SUSY

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Running of Strong Coupling Constant

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Fundamental Questions in Physics

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Example of SUSY production and decay chain

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Main SUSY signature: missing energy

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Prinzip eines Teilchendetektors

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Prinzip eines Teilchendetektors

e

e

Spurdetektor

Magnetspule

Hadronkalorimeter Elektronkalorimeter

Myonkammern

Photon Elektron Quark Jet

Myon (hohe Energie)

(mittlere Ene.)

(kleine Energie)

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CMS Collaboration

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The Tracker

Pixel endcap disks

214m

of silicon sensors 11.4 million silicon strips

65.9 million pixels in final configuration!

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Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

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AMS-02 Detektor

• Hochenergetische Teilchen fliegen durch AMS

• Dabei wechselwirken sie mit unterschiedlichen Detektoren

• Mit den Informationen aus allen

Detektoren lassen sich die Teilchen

dann identifizieren

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Particle identification techniques

300 GeV TRD

TOF

Tracker

RICH

Calorimeter

e

e

p He γ γ

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Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte ⇒ mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie

Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie

Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:

(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHC Indirekter Nachweis der Annihilation der DM

(mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)

Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung

(mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)

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Fragen

1. „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der

Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde. Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t =

380.000 yr (Rekombination) mit T ≈ 3.000 K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt.

Allerdings dauerte es dann ≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten.

A: korrekt

2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-

Messungen) mν < 0.23 eV. Da νe die geringste der Neutrinomassen besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der νe bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der WMAP-Daten

korrekt ist, wäre damit KATRIN überflüssig, oder?

A: eine unabhängige Bestätigung dass die Neutrinomassen tatsächlich so klein

sind, ist immer gut.

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Fragen

3. Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMB-

Polarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?

A: Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch eine

Polarization entsteht.

4. Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis auf wenige 10^-10 durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren

Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber warum ist die Asymmetrie identisch?)

A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder

vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachtsten GUT's vorhergesagt).

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Fragen

5. Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch

wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m ≈ 10 µg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls entstanden (Umwandlung

„falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen sein, d.h. bereits zur Zeit der

Quantenfluktuationen dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind heute in der CMB nachweisbar.

Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem

Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab. Aber dann:

Woher kommt diese Masse?

A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung entstand, z.B. die Brechung der einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten. Gleichzeitig jedoch durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die frewerdende Energie in Masse umwandeln.

Na ja, wie sagt Weinberg in seinem Buechlein “Die ersten drei Minuten“: Oft muss man seine eigene Zweifel vergessen und die Annahmen weiterverfolgen, gleichgültig, wohin sie auch führen mögen – es kommt nicht darauf an, von theoretischen Vorurteilen frei zu sein, sondern darauf, die richtigen theoretischen Vorurteilen zu haben.

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Fragen

6. Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der

extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere (verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation

lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht geben kann.)

A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei

Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher praktisch schwierig.

7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der Photonen aus der LSS skaliert mit 1/S (λ∝S) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen, müsste deren

gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dannkinetische Energie verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem Raum übertragen

(Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen der

Neutrinoenergie eine „Frequenz“ zuordnen, die S abnimmt?

A: relativistische Materie geht mit 1/S⁴, nicht relativistische mit 1/S³. Daher werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S⁴ skalieren /wie Photonen) und bei Temp. T<m_ν als 1/S³ (wie Teilchen).

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Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)

Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?

Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert.

Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums null und Vakuumenergie könnte zur Inflation führen

Schwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitation noch nicht existiert.

Wie entstand Leben?

1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dass

Leben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies unmöglich ist.

Wurdeakzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohle gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlich

später entstanden durch Alchen im Ozean, wo sie für UV Licht geschützt waren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalb der Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in so

einer Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DANN entstehen können und damit dass die Bausteine

Des Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.

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Typische Prüfungsfragen

Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie?

Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ? Wie lauten Friedmansche Gleichungen?

Woraus besteht die Energie des Universums?

Wie weiss man das?

Wie unterscheidet sich Dark Energie von Dark Matter?

Wie kann man DM nachweisen?

Warum akustische Peaks in der CMB?

Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?