Die kosmische Symphonie Dunkle Materie, Neutrinos und Kosmologie 1.Mikrowellen vom Urknall 2.Dunkle Materie 3.Gekoppelte „Neutrino-Pendel“ Michael Kobel

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  • Die kosmische Symphonie Dunkle Materie, Neutrinos und Kosmologie 1.Mikrowellen vom Urknall 2.Dunkle Materie 3.Gekoppelte Neutrino-Pendel Michael Kobel Physik am Samstag TU Dresden 18.11.2006
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  • Rckblick zum Urknall 1 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 sich Das Universum wird durchsichtig Hintergrundstrahlung breitet sich ungehindert aus
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  • Analogie: Sonne Innen: T > 10.000.000 K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~100.000 Jahren Ankunft nahe der Oberflche Oberflche (Photosphre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde Gasball aus H 2 und He, normalerweise durchsichtig
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  • Kleine Dichteunterschiede als Nachhall des Urknalls Verstrken sich durch Aufsammeln aus Umgebung Schwerkraft: Wo schon viel ist, landet noch mehr Strukturbildung im Universum
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  • 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 o C) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)
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  • 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
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  • WMAP 2003 Cobe 1994 Mikrowellen als Babyfoto
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  • 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
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  • 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
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  • Schallwellen vermessen Geometrie Universum: Kenne v und f bestimme (Mastab) Geometrienderung (Dichte=const.) ergibt Frequenznderung Lnge Tonhhe Form Klang (Frequenzzusammensetzung) Dichtenderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenznderung aeiou
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  • Raumkrmmung flach negativ gekrmmt positiv gekrmmt erlaubt Rckschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) = M / M flach allgemeine Relativitts- theorie
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  • bekannter Mastab - neg. gekrmmt - flach - pos. gekrmmt 13,3 Mrd. Lichtjahre Geometrie = Form des Universums = 1,02 +- 0,02
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  • Zusammensetzung des Universums Beitrge zur Gesamtenergie atomare Materie (p,n,e): B Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Lcher, -- dmpft den ersten Oberton -- verstrkt den zweiten Oberton nichtatomare dunkle Materie ( ): DM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstrkten den zweiten Oberton dunkle Energie: V kosmologische Konstante Vakuumenergie unverdnnbar meine grte Eselei !? = B + DM + V = 1
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  • Ergebnis 5% atomare Materie 25% nichtatom. Materie DM 70% dunkle Energie V insgesamt flach (
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  • Zwischenbilanz Nur 30% des Universums ist Materie m = B DM 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 Energie bestimmt die Zukunft
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  • 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 / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 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
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  • Pendel als Waage fr Neutrinos Quantenphysik: Es gibt 3 Sorten von Neutrinos: e (Pendel) gekoppelt zu 3 stabilen Moden 1 2 kleiner Energieunterschied E , abhngig von Kopplung Pendel: Frequenzunterschied f 2 Neutrinos: Massenunterschied m 2 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 m 2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen f 2
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  • Unsere Sonne Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberflche!
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  • Neutrinos aus der Sonne Kernfusion in der Sonne: 4p 4 He + 2e + + 2 e + 27 MeV Energie auf der Erde: 10 11 solare Neutrinos / cm 2 und Sekunde Produktion: 100% als e - Pendel e Davis (1970 -2000): e Nachweis auf der Erde Ergebnis: nur 30% der erwarteten e Besttigung (1995) Kamiokande (Sonne live! im Neutrinolicht)
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  • Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders! Der berlichtknall der Neutrinos e d u d e - u u d W- n pW- n p SuperKamiokande 2000 50,000 t Wassertank 40 m hoch, 40 m 11146 Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan
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  • , K ee e (Protonen, He) L=10~20 km Primre Kosmische Strahlen Im Idealfall : e = 2 : 1 Atmosph rische Neutrinos e und aus Luftschauern: Es fehlen keine e Es fehlen umso mehr, je weiter der Weg war Erklrung:
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  • 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 Neutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m 2 messbar!) Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < 4% erklrt nur kleinen Teil der dunklen Materie Animation: Ch. Weinheimer 1 2 3
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  • Andere Kandidaten fr Dunkle Materie? Supersymmetrische Teilchen? Supersymmetrische Teilchen? Wrden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lsen Wrden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lsen Vereinigung aller Krfte incl Gravitation Vereinigung aller Krfte incl Gravitation Verstndnis groer Zahlenverhltnisse Verstndnis groer Zahlenverhltnisse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m 3 )? Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m 3 )? stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung stabil, massiv (> 50 Protonmassen), schwache Wechselwirkung Direkte Entdeckung mglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN Direkte Entdeckung mglich bei: ATLAS & CMS am LHC des CERN
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  • Der Large Hadron Collider LHC am CERN ATLAS CMS LHC-b o ALICE pp-Kollisionen bei 14 TeV Collider Ring (vormals LEP) mit 27 km Umfang, 100m unterirdisch
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  • Ingesamt 1800 Wissenschaftler aus 170 Instituten aus 35 Lndern You are here ATLAS Experiment am CERN, Genf Inbetriebnahme 2008 TU Dresden und ISEG Rossendorf Hochspannung fr Energiemessung
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  • 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 2008) 70% der Gesamtenergie steckt in dunkler Energie, unverstanden, aber bestimmend fr Zukunft des Weltalls Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Mechanik sind eng verknpftKosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Mechanik sind eng verknpft