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KZO Wetzikon

Kosmologie und Teilchenphysik

Astronomiefreifach HS 2002/2003

Stefan Leuthold

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 2

Repetition Teilchenphysik

Elementarteilchenfamilien

Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik

Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 3

Fermionen und Bosonen Aus den Fermionen besteht die Materie:

Quarks (up, down, ...) => Hadronen:

• Baryonen (qqq: Proton, Neutron)• Mesonen (qq)

Leptonen (Elektron e–, Neutrino , ...)

Bosonen vermitteln die Kräfte zwischen den Fermionen: Gluonen Starke Wechselwirkung W+, W–, Z0 Schwache Wechselwirkung Photonen Elektromagnetische Wechselwirkung Gravitonen Gravitation

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 4

Fundamentale Teilchen: Fermionen?

LeptonenQuarks

up down Elektron e Neutrino

up charm top down strange bottom

u u c t d s bc t d s b

Elektron Müon Tauon e

e e e e

Familie

Teilchen

Antiteilchen

Aufspaltungnach Ladung

Aufspaltungnach Art

Eingekreist ist die elektrische Ladung des Teilchens in Einheiten der Elementarladung e = 1,60218 · 10–19 Coulomb. Alle Teilchen einer Familie haben dieselbe elektrische Ladung, aber unterschiedliche Massen, Teilchen und Antiteilchen haben gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung. Das Antiteilchen des Elektrons heisst Positron, oft schreibt man e– und e+.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 5

Zusammengesetzte Teilchen

MesonenBaryonen

qqq

Hadronen

Proton: uudNeutron: udd

qqq: Antibaryonen

π+ : ud «Pion»K+ : us «Kaon»

Hadronen sind Teilchen, welche aus Quarks bestehen und durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden (Hadronen heisst «die Starken» auf griechisch, Wechselwirkungen siehe nächste Folie). Baryonen bestehen aus drei Quarks, Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. Das Proton mit Ladung 1 besteht zum Beispiel aus zwei up-Quarks und einem down-Quark.

qq

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 6

Fundamentale Teilchen: BosonenFermionen wechselwirken untereinander über die sogenannten Austauschteilchen oder Bosonen.

Wechselwirkungbetroffene Teilchen

Bosonen

Gravitation

Elektromagnetische Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung

8 Gluonen g

W+, W–, Z0

Photonen

Gravitonen

Hadronen

(linkshändige Komponenten der) Fermionen

elektrisch geladene Teilchen

Teilchen mit Masse

Reichweite

≤ 1 fm

10-3 fm

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 7

Grössenverhältnisse

Atom Kern Proton

Kern

Protonen undNeutronen

Quarks

10-10 m 10-14 m 10-15 m

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 8

Repetition Teilchenphysik

Elementarteilchenfamilien

Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik

Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 9

ElementarteilchenfamilienLadung

0

1/3

2/3

1

–1/3

–2/3

–1 e– – – ? ? ?

up charm top ? ? ?

down strange bottom ? ? ?

e ? ? ?

Quarks

Quarks

neutrale Leptonen

geladene Leptonen

1. Familie 2. Familie 3. Familie 4. Familie 5. Familie 6. Familie

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 10

Bemerkungen zu Teilchenfamilien Isidor Rabi (Nobelpreis) zur Entdeckung des

Myons: «Wer hat denn das bestellt?» – es ist überhaupt (noch) nicht klar, weshalb es genau diese Teilchenfamilien gibt.

Das Universum würde anders aussehen, wenn es mehr oder weniger Teilchenfamilien gäbe, als es tatsächlich gibt (Argument später)

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 11

Repetition Teilchenphysik

Elementarteilchenfamilien

Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik

Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 12

Linearbeschleuniger: HF-Kavität

+–

e–

Hochfrequenzkavität

Werden Elektronen auf einer Gerade beschleunigt, benötigt man umso längere Röhren, je grösser die Endgeschwindigkeit (und damit die Energie in Experimenten) sein soll. Deshalb ist man auf die Idee mit den Kreisbeschleunigern gekommen.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 13

Kreisbeschleuniger: Zyklotron

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 14

Kreisbeschleuniger: Synchrotron.Ein elektrisches Feld wird zum Beschleunigen der Teilchen benutzt, ein Magnetfeld hält die Teilchen auf der Kreisbahn. Da die Teilchen bei jedem Umlauf schenller werden, müssen E-Feld und B-Feld synchron hochgeschraubt werden, damit die Teilchen nicht aus dem Beschleuniger fliegen – deshalb der Name Synchrotron.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 15

Geschichtliches über Beschleuniger

Ernest Lawrence:Erstes Zyklotron, 1930.

Energie: 80‘000 eV, Durchmesser: 32 Inches

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 16

Tevatron am Fermilab, Chicago.

Bestes ZyklontronEnergie: Etwa 2000 GeVDurchmesser: 4 Meilen

Interessante Maßstäbe...

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 17

Energien im Labor und im Urknall Teilchenbeschleuniger-Experimente finden mit

immer besseren Beschleunigern bei immer höheren Energien statt.

Bereits mit niederenergetischen Linear-beschleunigern bekommen die Teilchen Energien, welche vergleichbar sind mit den Energien bei der Entstehung der Kerne (sogenannte «Nukleosynthese») gemäss der Urknalltheorie (≈ 1 Minute nach dem Urknall).

(Eine Energie entspricht einer Temperatur.)

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 18

Vereinigung der Wechselwirkungen

Schwache Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung

Elektromagnetische Wechselwirkung

Gravitation

ElektroschwacheWechselwirkung

Grand Unified Theory (GUT)

Theory of Everything (TOE)

niedrigeEnergie

100 1015 1019 hoheEnergie

E/GeV

Bei genügend hohen Energien vereinigen sich die fundamentalen Wechselwirkungen.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 19

Kosmologischer Beschleuniger? Teilchenbeschleuniger-Energien entsprechen

natürlich auch den Energien des Universums wenige Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall:

10–10 Sekunden <=> 100 GeV (CERN, Vereinigung elektromagnetische und schwache Wechselwirkung.

Ein Beschleuniger, der an die GUT herankommt, bräuchte man Platz bis zu den nächsten Sternen, ein TEO-Beschleuniger würde die gesamte Milchstrasse füllen.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 20

Repetition Teilchenphysik

Elementarteilchenfamilien

Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik

Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 21

Nukleosynthese nach dem Urknall Etwa eine Sekunde nach dem Urknall, bei

einer Temperatur von etwa 1013 K findet die Nukleosynthese statt: Protonen und Neutronen schliessen sich zu Kernen zusammen (vorher zu heiss). Diese Temperaturen entsprechen Energien von Linearbeschleunigern.

Mikrowellenhintergrund liefert Daten über Zeit nach Entkopplung von Strahlung und Materie (etwa 100‘000 Jahre nach Urknall) nach der letzten Streuung von Photonen an Elektronen bei einer Temperatur von 3000 K.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 22

Urknalluntersuchung im Labor Annahme: Während der Nukleosynthese ist die

Materie als Nukleonengas behandelbar. Nukleonengas:

Protonen werden in Neutronen, Neutronen in Protonen umgewandelt (Stösse mit Elektronen, Positronen, Neutrinos und Antineutrinos).

Bei sinkenden Gastemperaturen wird plötzlich ein Überschuss an Protonen entstehen, da das Neutron ein wenig schwerer ist als das Proton und deshalb leichter umgewandelt wird.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 23

Urknalluntersuchung im Labor |2 Berechnung: Bei 109 K beträgt das Verhältnis

Neutronen zu Protonen etwa 1:7. Temperatur nun kalt genug für Entstehung von

Deuterium (Proton-Neutron-Kern). Reaktion von Deuterium mit anderen Protonen

und Neutronen => Entstehung Tritium (1 p, 2n), He-3 (2 p, 1 n) => Entstehung He-4

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 24

Urknalluntersuchung im Labor |3

He-4 Bindungsenergie sehr hoch=> Häufigkeit von He-4 gross

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 25

Häufigste Verbindung von Protonen und Neutronen ist He-4 (vorangehende Graphik).

Nach He-4 gibt es praktisch keine stabilen Kerne mehr: Die restlichen Elemente sind in Sternen entstanden. => He-4 sollte etwa 25% der gewöhnlichen Materie ausmachen.

Berechnung der Häufigkeit von He-4

2 Neutronen 14 Protonen

He-4

Wasserstoffwolken => Sternentstehung=> Entstehung der schwererenElemente durch Kernfusion

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 26

Häufigkeiten/Anzahl Teilchenfamilien Die Häufigkeit der Teilchenarten (wie He-4)

hängt ab von Nukleonendichte und Strahlungs-dichte im Weltall.

Nun berechnet man die Häufigkeiten bestimmter Elemente in Abhängigkeit von der Nukleonendichte und vergleicht diese mit den aktuellen Messungen (nächste Folie).

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 27

Heutige Nukleonendichte

10–32 10–31 10–30 10–29 10–28

10–1

10–3

10–5

10–7

10–9

10–11

Massen-anteil

heutige Nukleonendichte (g/cm3)

He-4

He-3Li-7

D

He-4 Messungen

He-3 Messungen

D Messungen

Li-7 Messungen

Beste Schätzung

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 28

Nukleonen- und Strahlungsdichte Die Strahlungsdichte beeinflusste vor allem

Expansionsgeschwindigkeit des Universums. Sie ist proportional zur Anzahl der Strahlungs-arten.

=> Strahlungsdichte proportional zur Anzahl der Teilchen mit Geschwindigkeit ≈ c.

Neun Strahlungs-Teilchenarten beim Urknall: , e–, e+, e, , , e, ,

Betrachte Nukleondichte in Abhängigkeit der Teilchenarten (nächste Folie).

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 29

Nukleonen- und Strahlungsdichte |2

10–32 10–31 10–30 10–29 10–28

10–1

10–3

10–5

10–7

10–9

10–11

Massen-anteil

heutige Nukleonendichte (g/cm3)

He-4

He-3Li-7

D

He-4 Messungen

He-3 Messungen

D Messungen

Li-7 Messungen

Beste Schätzung

4 32

Eingekreiste Zahlen: Anzahl Neutrinoarten

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 30

Nukleonen- und Strahlungsdichte |3 Vorangehende Graphik zeigt die

Nukleonendichte aufgespalten nach der Strahlungsdichte in Abhängigkeit der Anzahl Neutrinoarten.

Die Beobachtungen stimmen also mit den Berechnungen überein, wenn es nicht mehr als vier Neutrinoarten gibt, und damit auch nicht mehr als vier Teilchenfamilien. Bereits eine vierte Teilchenfamilie würde eine He-4-Häufigkeit ergeben, welche knapp überhalb der Beobachtungen liegt.

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Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 31

Kosmologie ist schön.


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