Die kosmische Symphonie - .Die kosmische Symphonie Dunkle Materie, Neutrinos und Kosmologie 1. Mikrowellen

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  • Die kosmische SymphonieDunkle Materie, Neutrinos und Kosmologie

    1. Mikrowellen vom Urknall2. Dunkle Materie3. Gekoppelte Neutrino-Pendel

    Michael KobelRingvorlesung Naturwissenschaft aktuell

    TU Dresden26.6.2008

  • Rckblick zum Urknall1 ms bis 1s nach dem Urknall

    Antimaterie vernichtet ca. 99,9999999% der Materie Riesige Strahlungsmenge entsteht (Photonen)

    Strahlung und Restmaterie bleiben in Wechselwirkung

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

  • Analogie: Sonne

    Innen: T > 10.000.000 KIonisation der Atomefreie ElektronenLicht jeder Energiewird absorbiert und wieder emittiertErst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberflche

    Oberflche (Photosphre)T = 6000 KElektronen anAtome gebundenLicht kann entweichenerreicht nach 8 min ungehindert die Erde

    Gasball aus H2 und He, normalerweise durchsichtig

  • Kleine Dichteunterschiede als Nachhall des Urknalls

    Verstrken sich durch Aufsammeln aus Umgebung

    Schwerkraft: Wo schon viel ist, landet noch mehr

    Strukturbildung im Universum

  • Der Nachhall des Urknalls

    COBE

    Dichtere Regionen sind etwas wrmer als dnnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher

    Mittlere Temperatur heute: 2,73 K ber absolut Null (-270,42 oC)Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K

    Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser SchwankungenJohn C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)

  • Wenn das Universum heute 80 Jahre wre(13.700.000.000 Jahre 80 Jahre)

    Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo Sapiens

    Ein Neugeborenes,19 Stunden alt.

    Erste Schritte mit 13 Monaten

    Schulanfang mit 6 Jahren

  • WMAP 2003

    Cobe 1994

    Mikrowellen als Babyfoto

  • 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

  • Die Obertne des Kosmischen Klangs Das Ohr hrt an Obertnen:

    Art des Instruments gebtes Ohr: Bauweise

    Astrophysiker erkennen an den Obertnen:

    Form des Universums

    Zusammensetzung

  • Schallwellen vermessen Geometrie

    (Tonhhe)(1/Dichte))(Geometrie

    f

    =

    Universum: Kenne v und f bestimme (Mastab)

    Geometrienderung (Dichte=const.) ergibt FrequenznderungLnge TonhheForm Klang (Frequenzzusammensetzung)

    Dichtenderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenznderung

    a e i o u

  • Raumkrmmung

    flach

    negativ gekrmmt

    positiv gekrmmt

    < 1

    = 1

    > 1

    erlaubt Rckschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt)

    = M / Mflach

    allgemeineRelativitts-theorie

  • bekannter Mastab

    - neg. gekrmmt- flach- pos. gekrmmt

    13,3

    Mrd

    . Lic

    htja

    hre

    Geometrie = Form des Universums

    = 1,02 +- 0,02

    > 1 = 1 < 1

  • Zusammensetzung des UniversumsBeitrge zur Gesamtenergie

    atomare Materie (p,n,e): BSterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Lcher,-- dmpft den ersten Oberton-- verstrkt den zweiten Oberton

    nichtatomare dunkle Materie (, ): DMUngebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend-- verstrkten den zweiten Oberton

    dunkle Energie: Vkosmologische Konstante

    Vakuumenergieunverdnnbar

    meinegrteEselei !?

    = B + DM + V = 1

  • Ergebnis

    5% atomare Materie ( =0,05)25% nichtatom. Materie (DM =0,25)70% dunkle Energie (V =0,70)insgesamt flach (=1,02+0,02 )

  • Zwischenbilanz Nur 30% des Universums ist Materie

    m = B + DM = 0,3 5/6 davon ist nichtatomare, dunkle, Materie

    mglicherweise uns vllig unbekannt 70% ist keine Materie, sondern dunkle Energie

    und 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 Energiebestimmt die Zukunft

  • Sind Neutrinos die Dunkle Materie?1930: theoretische Einfhrung

    (Pauli)

    1956: experimentelleEntdeckung

    (Cowan und Reines)

    schwach wechselwirkend:999.999.999 von 1.000.000.000schaffen Erddurchquerung

    ziemlich verbreitet:366.000.000 Neutrinos / m3im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3

    wesentlicher Beitrag zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!!

    aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

    Neutrinos: Singles des Universums

  • Pendel als Waage fr NeutrinosQuantenphysik: Es gibt 3 Sorten von Neutrinos: e (Pendel)gekoppelt zu 3 stabilen Moden 1 2 3

    kleiner Energieunterschied E2,abhngig von Kopplung

    Pendel: Frequenzunterschied f2

    Neutrinos: Massenunterschied m2

    Anregung nur eines Pendels:Regelmige Oszillationen der Pendel, abhngig von Kopplung

    Bei Herstellung nur einer Neutrinoart:Regelmige Umwandlungen in die andere(n) Art(en)

    Bei Nachweis nur einer Neutrinoart:Neutrinos scheinen zu verschwinden, abhngig von m2

    Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen f2

  • Unsere Sonne

    Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberflche!

  • Neutrinos aus der SonneKernfusion in der Sonne:4p 4He + 2e+ + 2e + 27 MeV Energieauf der Erde: 1011 solare Neutrinos / cm2 und Sekunde

    Produktion:100% alse-Pendel

    e ? ?

    Davis (1970 -2000): e Nachweis auf der Erde Ergebnis: nur 30% der erwarteten e

    Besttigung (1995)Kamiokande(Sonne live! im Neutrinolicht)

  • Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

    Der berlichtknall der Neutrinos

    e dud

    e- uud

    W-

    n p

    SuperKamiokande 200050,000 t Wassertank

    40 m hoch, 40 m 11146 Lichtdetektoren1 km tief in Kamioka Mine Japan

  • , K

    e

    e

    (Protonen, He)L=10~20 km

    Primre Kosmische Strahlen

    Im Idealfall : e = 2 : 1

    Atmosphrische Neutrinos

    e und aus Luftschauern:

    Es fehlen keine e

    Es fehlen , umso mehr,je weiter der Weg war

    Erklrung:

  • Erklrung der Messungen

    Sonnenneutrinos: weniger e wegen Oszillation e , Atmosphrische Neutrinos: weniger wegen Oszillation

    Nur mglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!)zwischen den stabilen Moden 1 2 3

    Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hiernur Differenzen von m2 messbar!)

    Beitrag zur Massedes Universums:0.1% < < 4%

    erklrt nur kleinenTeil der dunklenMaterie Animation: Ch. Weinheimer1 2 3

  • Andere Kandidaten fAndere Kandidaten fr Dunkle Materie?r Dunkle Materie?

    Supersymmetrische Teilchen?Supersymmetrische Teilchen?

    WWrden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lrden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lsensenVereinigung aller KrVereinigung aller Krfte fte inclincl GravitationGravitationVerstVerstndnis grondnis groer Zahlenverher Zahlenverhltnisseltnisse

    Leichtestes SUSY Teilchen stabilLeichtestes SUSY Teilchen stabil= Dunkle Materie (= Dunkle Materie (caca 3000 /m3000 /m33)?)?

    stabil, massiv (> 50 Protonmassen), stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkungschwache WechselwirkungDirekte Entdeckung mDirekte Entdeckung mglich bei:glich bei:ATLAS & CMS am LHC des CERNATLAS & CMS am LHC des CERN

  • Der Large Hadron Collider LHC am CERN

    ATLASCMS

    LHC-b

    o ALICE

    pp-Kollisionen bei 14 TeV

    Collider Ring (vormals LEP) mit 27 km Umfang, 100m unterirdisch

  • Ingesamt 1800 Wissenschaftler aus 170 Instituten aus 35 Lndern

    You are here

    ATLAS Experiment am CERN, GenfInbetriebnahme 2008

    TU Dresden und ISEG RossendorfHochspannung fr Energiemessung

  • Zusammenfassung Die Kosmische Symphonie der Mikrowellenhintergrund Obertne ergeben

    Form und Zusammensetzung des Universums

    Das Universum ist im Mittel flach

    Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet weniger als 5% der Gesamtenergie des Universums

    Neutrinos erklren nur einen Bruchteil der 25% nichtatomaren dunklen Materie im Weltall

    Es gibt Ideen, was der Rest ist ( ATLAS / LHC Experiment ab 2008)

    70% der Gesamtenergie steckt in dunkler Energie, unverstanden, aber bestimmend fr Zukunft des Weltalls

    Kosmologie und Teilchenphysik,Kosmologie und Teilchenphysik,Quantenphysik und MechanikQuantenphysik und Mechaniksind eng verknsind eng verknpftpft

  • Literatur- und Linkliste zur Vorlesung von Prof. Kobel: Die kosmische Symphonie - Dunkle Materie, Neutrinos und Kosmologie am 26.6.2008 im Rahmen des Studium Generale

    Wayne Hu und Martin White: The Cosmic symphonie (Scientific American): http://background.uchicago.edu/~whu/Papers/HuWhi04.pdf

    deutsch: Wayne Hu und Martin White: Der beschleunigte Kosmos, Teil I: Die Symphonie der Schpfung, Spektrum der Wissenschaft, Mai 2004

    The Physics of Microwave Background Anisotropies Wayne Hu, University of Chicago http://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html

    Geschichte unseres Universums, Jrg Resag http://www.joergresag.privat.t-online.de/mybk4htm/start4.htm

    Gerhard Brner: Ein Universum voll dunkler Rtsel, Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2003

    Welt der Physik: Die Welt des Allerkleinsten: http://www.weltderphysik.de/de/3667.php

    Teilchenphysik in Deutschland: www.teilchenphysik.de

    WMAP homepage: http://map.gsfc.nasa.gov/

    Online Oszillograph fr die PC Soundkarte: http://www.zeitnitz.de/Christian/Scope/Scope_ger.html

    ATLAS Experiment am LHC: www.atlas.ch

    Comic "World of Particles" online: (g