Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik

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Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik . Kosmologie : Überblick Die Mikrowellen vom Urknall Dunkle Materie Die Ursuppe Die Entstehung der Masse Michael Kobel TU Dresden Teilchenwelt S chülerworkshop CERN 17.6.2011. - PowerPoint PPT Presentation

Text of Die Kosmische S ymphonie Kosmologie und Teilchenphysik

Gekoppelte Schwingungen bei Pendeln und Elementarteilchen

Die Kosmische Symphonie Kosmologie und Teilchenphysik Kosmologie: berblick Die Mikrowellen vom UrknallDunkle MaterieDie UrsuppeDie Entstehung der Masse

Michael KobelTU DresdenTeilchenwelt Schlerworkshop CERN17.6.2011

1Der Zugang zu fr die menschlichen Sinne nicht fassbaren Vorgngenwie dem Urknall oder der Quantenphysik kann insbesondere in der Schule durch Analogien mit erfahrbaren Phnomenen erfolgen. Der Vortrag versucht,mit Methoden und Begrifflichkeiten der Akustik und der Musik einige dergrundlegenden Phnomene der Kosmologie und Teilchenphysik zu veranschaulichen:Das Musikinstrument Universum mit einem Grundtonvon 0,04 pHz verrt in den Obertnen der kosmischen Hintergrundstrahlung seine materielle Zusammensetzung, die Oszillationen der Neutrinos entstehen beim Stimmen ihres Flavor-Orchesters als Schwebungsfrequenz von bis zu 4 PHz, und der Large Hadron Collider am CERNversucht, auf einem Instrument einen Ton zu erzeugen, von dem man noch garnicht wei, ob es berhaupt existiert: dem Higgs-Feld.

MPI fr Astrophysik Mnchen, MIllenium Simulationhttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/

Strukturbildung im Universum

t = 0,2 Mrd. Jahre20 Mio Lichtjahret = 1,0 Mrd. Jahre50 Mio Lichtjahret = 4,7 Mrd. Jahre150 Mio Lichtjahre t = heute300 Mio Lichtjahreerste Sterneerste Galaxien

Postulat:Nachhall der Quanten-fluktuationen des Urknalls,eingefroren durch Inflation(berholen Ereignishorizont) Verstrkt durch gravitativesAufsammeln der Umgebung

Grenze der Beobachtung: Kosmischer MikrowellenhintergrundUrsprung der Dichteunterschiede

3Wo schon viel ist, lander noch mehr

Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis zu 380.000 Jahre nach Urknall:Plasma aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 0,9 : 0,05 : 1 : 2.000.000.000 Strahlung (Photonen) und Materie in WechselwirkungTemperatur T > 6000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen

380.000 Jahre nach Urknall:Atomhllen bilden sichDas Universum wird durchsichtigStrahlung breitet sich ungehindert aus

u.a,.Materie-AntimaterieVernichtung in Photonen

Wenn das Universum heute 80 Jahre wre(13.700.000.000 Jahre 80 Jahre)Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo SapiensEin Neugeborenes,19 Stunden alt.Erste Schritte mit 13 MonatenSchulanfang mit 6 Jahren

Unsere SonneWie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberflche? A: 2 secB: 8 minC: 12 MonateD: 100.000 JahreD: 100,000 Jahre6

Analogie: Die Sonne

Innen: T > 10.000.000 KIonisation der Atomefreie ElektronenLicht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiertErst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der OberflcheOberflche (Photosphre)T = 6000 KElektronen anAtome gebundenLicht kann entweichenerreicht nach 8 min ungehindert die ErdeGasball aus H und He, normalerweise durchsichtig

Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung

1999 BOOMERanG

Temperaturschwankungen

COBEDichtere Regionen sind etwas wrmer als dnnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicherMittlere Temperatur heute: 2,73 K ber absolut Null (-270,42 oC)Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 KPhysik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser SchwankungenJohn C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)

WMAP 2003Cobe 1994

Mikrowellen als Babyfoto10

Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K heie und kalte Flecken = dichte und dnne Gebiete genau wie bei Schall Klang des Universums Nach Abzug unserer Milchstrae 11entspricht Dicke eines Haares auf 2,73m

Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

Akustische Analogie II: Musikinstrumente

131. Versuch: Gummiseile2.Versuch; Rubenssches Flammrohr

Die Obertne des Kosmischen Klangs

Das Ohr hrt an Obertnen:Art des Instrumentsgebtes Ohr: Bauweise

Astrophysiker erkennen an den Obertnen:Form des Universums Zusammensetzung

143. Versuch: Chladni Figuren

Vergleich der Akustischen Wellen Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !

LuftFrhes UniversumVerhlt.WechselwirkungDruck d. SteDruck d. Strahlung+ Gravitation (!)10-17500.0001020 - 102210-14-10-16Dichte 3x1025 Molekle / m33x108 Protonen / m3(bei 380.000 Jahren)ZustandsgleichungGeschwindigkeitWellenlngeFrequenzpVk = const. p ~ rk p = c2r v = kp/r = 340 m/sv= c/ 3 =1,7x108 m/s20 mm 20 m20.000 400.000 Lj17.000 17 Hz10-12 0,4x10-13 Hz

www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit05/unit5.html

154.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo6.Versuch: Pfeife mit Helium7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen

Schallwellen vermessen Geometrie

Universum: Kenne v und f bestimme l (Mastab)Geometrienderung (Dichte=const.) ergibt FrequenznderungLnge Tonhhe ( Saiten, Pfeifen)Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung )

Dichtenderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenznderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF6 )

aeiou164.Versuch: Monochord, 5. Versuch: Fouriertrafo6.Versuch: Pfeife mit Helium7.Versuch: Helium und SF6: Luftballons und Einatmen

Geometrie der Raumkrmmung

flachnegativ gekrmmtpositiv gekrmmtW < 1W = 1W > 1erlaubt Rckschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / Mflach

allgemeineRelativitts-theorie178. Versuch: Trommel und 2 Kugeln9. Versuch: groer Ball, Becherglas mit Blatt Papier

bekannter Mastab- neg. gekrmmt- flach- pos. gekrmmt13,7 Mrd. LichtjahreGeometrie = Form des Universums

W = 1,005 +- 0,006 W > 1 W = 1 W < 1 l

Das Universum als Spiegelsaal?

Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen mglich! einfachste Lsung: Torus (eingeschrnkte 3D2D Visualisierung)

3D Visualisierung als Spiegelsaal

Mglicher Nachweis: circles-in-the skySobald Ereignishorizont grer Einheitszelle gleiche Muster gegenber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) )konsistent mit Muster des kosmischem Mikrowellen Hintergrunds (CMB)Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009 http://www.spektrum.de/artikel/974631

Beste Anpassung an CMB Daten:(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)http://arxiv.org/abs/0708.1420Kantenlnge = 54 Mrd. Lichtjahre(groe Unsicherheiten!)

Zusammensetzung des Universums Beitrge zur Gesamtenergie Watomare Materie (p,n,e): WBSterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Lcher,-- dmpft den ersten Oberton-- verstrkt den zweiten Obertonnichtatomare dunkle Materie (n, ): WDM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstrkten den zweiten Obertondunkle Energie: WVkosmologische Konstante Vakuumenergie unverdnnbar

W = WB + WDM + WV = 121

Ergebnis

5% atomare Materie (WB =0,05)22% nichtatom. Materie (WDM =0,22)Summe: W=1,00 73% dunkle Energie (WV =0,73) !

Unabhngige Besttigungen:Supernovae und Galaxiencluster

=WV= WB + WDM

ZwischenbilanzNur 27% des Universums ist MaterieWm = WB + WDM = 0,27 5/6 davon ist nichtatomare, dunkle, Materiemglicherweise uns vllig unbekannt73% ist keine Materie, sondern dunkle Energieund treibt das Universum auseinander

Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstrae ist Mittelpunkt des Kosmos Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine Randerscheinung (~ 5%)Die dunkle Energie bestimmt die Zukunft

Sind Neutrinos die Dunkle Materie?

1930: theoretische Einfhrung (Pauli) 1956: experimentelle Entdeckung (Cowan und Reines) schwach wechselwirkend: 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet: 366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3 wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!!aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

Neutrinos: Singles des Universums

Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

Der berlichtknall der Neutrinos

ne n nt d u de- m- t-uudW- n p

(Super)Kamiokande 50,000 t Wassertank40 m hoch, 40 m 11146 Lichtdetektoren1 km tief in Kamioka Mine Japan

Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchestersnach Quantenmechanischer Mischung http://neutrinopendel.tu-dresden.de/animation.html (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD) n3 = ( - nm + nt)/2

n2 = (-ne + nm + nt)/3

n1 = (2ne + nm + nt)/6

- +

+ - +

+ + +

f

46/min

43/min42/minP2P1P3

Flavor-Oszillation als Waage fr Neutrinos

Qmechanik:Jede einzelne Neutrinosorte (flavor) ne n nt ist Summe dreier stabiler Neutrinos n1 n2 n3 mit leicht versch. MassenSumme von Tnen mit leicht verschiedenen FrequenzenRegelmige Oszillation der Lautstrke (Schwebung)Schwebungsfrequenz = Frequenzunterschied DfSumme von Neutrinos mit leicht verschiedenen MassenRegelmiges Verschwinden und Erscheinen abhngig von Dm2

2810. Versuch: Neutrinopendel11.Versuch Schwebungen

Korrespondenzen zur Akustischen SchwebungAkustikNeutrinosSchallwelleTne (feste Frequenz)Klang=berlagerung der TneLautstrke Schallamplitude2QM-Nachweiswahrscheinlichkeit |Wellenfunktion|2Grenordnung: ~Hz 0,1 10 kHz (Beobachter) 0,1 10 THz (n-Eigenzeit)Schwebungsfrequenz Df der TneKreisbewegung der PhaseMassezustnde ( feste Phasenfrequenz)Flavorzustand =QM-Mischung der MassenzustndeFlavor-Oszillation der Neutrinos Dm2 der Massezustnde

Beitrag zur Masse