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Die Vakuumenergie des Universums
Übersicht
Woraus besteht das Universum?
Was ist dunkle Energie?Vakuumenergie?
1Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Woher kommt die beschleunigteExpansion des Universums?(Nobelpreis 2011)
Was ist dunkle Materie?
AMS-02 und Suche nach DM
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Die Zusammensetzung des Universums
Nur Materie.keine Antimaterie
2Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Schwarze Löchersind baryonischeMaterie (Sterne),keine dunkle Materie,denn DM ist schwachwechselw. Materie
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Supersymmetrie(Symmetry zwischen Fermion und Bosonen)
3Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
One half is observed! One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!
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Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY
4Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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Entwicklung des Universums in einer GUT
5Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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durch Vakuumenergie?
6Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
PerlmutterSchmidtRiessNobelpreis 2011
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Was ist Dunkle Energie? Vakuumenergie?
7Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Vakuumenergiedichte praktisch konstant.Materie- und Strahlungsdichte nehmen abmit der Zeit.
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Gibt es ein perfektes Vakuum?
Antwort: NEIN,auch wenn man dieMagdeburger Halbkugelnabsolut leerpumpen könnte,wird es immer noch Strahlung der Wände geben.
8Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
g(auch beim absoluten Nullpunkt(“Nullpunktsfluktuationen”)
Quantummechanisch kanndiese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden(erlaubt durch HeisenbergscheUnsicherheitsrelation)
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Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar?
Vakuumfluktuationenmachen sich bemerkbardurch:1) Lamb shift2) Casimir Effekt3) Laufende Kopplungs-
konstanten 4) Abstoßende Gravitation
9Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Warum ist das Vakuum des Universums so leer?
4) Abstoßende Gravitation
Berechnung der Vakuumenergiedichte:10115 GeV/cm3 im Standardmodell1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie
Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3
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Entwicklung des Universums
10Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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Vakuumenergie abstoßende Gravitation (nach Newton)
Expansion mit Geschwindigkeitv=R´=dR/dt
Betrachte Masse m in äußerer Schalemit Geschwindigkeit v. Sie spürt Gravitationspotential der inneren Masse M.Energie:
E= ½mv2-GmM/R= ½mR´2-Gm(4R3/3)/R
Energieerhaltung: dE/dt=0 oderR´R´´ 4 G/3(R2 )´ 0
M mR
11Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
R R - 4G/3(R2) = 0R´R´´= 4G/3(2RR´+R2´)
Vakuumenergie: ´ = 0Beschleunigung: R´´= 8GR/3Solution:R=R0et/ mit =3/8G1/H0 013.8.109 a
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Nobelpreis 2011 einfach erklärt
Aus dem Hubbleschen Expansionsgesetz kann man Abstände herleiten unter der Annahme, dass es nur Materie mit anziehender Gravitation gibt.
Beobachtet wird jedoch, dass die weit entfernten Supernovae weiter weg sind als vom Hubbleschen Gesetz vorhergesagt.
Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel
Standard Kerzen:Laternen oderSupernovae 1a
12Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne.
Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat beschleunigte Bewegung.
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Sternentwicklung
13Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png
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Hubble Bild des Überrestes der Supernova 1987A Stern-Explosion vom 6. Februar, 1998
Die meiste Materie ist NICHT sichtbar mit optischen Teleskopen (wie Hubble)
AMS kann jedoch die hoch-energetische kosmische Strahlung solcher Explosionen
14Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
g psichtbar machen.
Und nach dunkler Materie suchen, von der erwartet wird, dass bei der Vernichtung kosmische Strahlung in Form von Materie und Antimaterie entsteht.
Beachte: im sichtbaren Univ. 1011 Galaxien 300.000 SN / Stunde!
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Entdeckung der dunklen Materie
15Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski
Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt.
Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!)
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Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.
Rot:
Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
dunkel
16Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Beobachtungen:
•Chandra X-ray telescope zeigt Verteilung des Gases•Hubble Space Telescope beobachtet Verteilung der dunkle Materie(via Gravitationslinsen)
•Verteilungen sehr unterschiedlich -> dunkle Materie hat nur schwache Wechselwirkung!
sichtbaresGas
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Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
17Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
August 22, 2006
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“Seeking the lost seeds of the Big Bang”
Dark matter makes up 83% of the matter in the universe and hence dominates the gravitational forces forming galaxies,
18Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011@Matthias Steinmetz
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Energieinhalt des Universums
Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt!
„Dunkle Energie“ sindQuantenfluktuationen?
Zusammenfassung bisher
19Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Quantenfluktuationen?
„Dunkle Materie“ sindsupersymmetrischePartner der Photonen?LHC und Raumfahrtexp.AMS-02 werden dies zeigen?
If it is not dark, it does not matter
19
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Vernichtung der dunklen Materie Antimaterie!
DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein.
Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet
20Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html
Teilchen werden vernichtetund die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie.
Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung(am LEP Beschleuniger studiert)
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TRD
TRACKER PLANE 1N
PLANE 1NS
UTOF
ANTIMATTERMATTERWeight 7000 kgVolume 64 cubic metersPower 2500 wattsData downlink 2 Mbps (average)Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field)Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
21Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
MA
GN
ET
VACUUM CASE
ECALTRACKER PLANE 6
TRACKER
AC
C
LTOF
RICH
(Nd2Fe14B), weighting 1200 kgSubsystems 15 particle detectors and supporting subsystemsLaunch 16th May 2011, 08:56 am EDTMission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth)Construction 1999-2010RWTH + KIT Transition Rad. Detector(Schael) (de Boer)Cost $2 billion (estimated)
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Alpha Magnetic Spectrometer - AMS-01First flight, STS-91, 2 June 1998 (10 days)
22Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Teste ob fragile Si-Sensoren Erschütterungen eines Starts überleben und mitden Temperaturschwankungen und Kühlung im Weltall zurechtkommen
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AMS ist ein Teilchenphysik-Detektor im Weltall
Nobel Prizes,(1) Pulsar,(2) Microwave
23Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
(2) Microwave,(3) Binary Pulsars,(4) Solar neutrino
X Ray sources
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AMS in der Maxwell EMI Kammer am ESTEC (NL)
24Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.201124
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N A S A Sh u t t le L a n d i n g F a c i l i t yAir Force C-5 Galaxyfür den Transport von AMS-02von Genf nach Cape Canaveral September 2010
25Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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PayloadCommanderAndreasSabellekvon KIT
KIT verantwortlich für AMS nach dem Start
26Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
von KITvor Endeavournach dem letzten Checkvon AMS inEndeavour
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Launch, 16.5.2011 um 8:56 (European time)
27Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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AMS-02 installiert auf der ISS
Astro-nauten
28Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
AMS-02
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Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS
29Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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600 physicists, 60 institutes, 16 countries
SpokesmanSam TingNobelprize 1976started AMS in 1994
30Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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31Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011Carbon Nucleus, 41.8 GeV
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Astronautentag, 10.11.2011 in Karlsruhe
32Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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Endeavour Day 6: ISS tour
33Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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Endeavour Day 6Endeavour Day 6: Message from Vatican
34Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
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Zusammenfassung
Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt.
Dunkle Energie dominiert unser Universum abstoßende Gravitation!
35Prof. W. de Boer, KIT 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011
Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM.Satellitenexp. (AMS, Fermi,…) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der Antimaterie).
Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet in diesem neuen Terrain