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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
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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
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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
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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 oC)Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K
Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser SchwankungenJohn 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
(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
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Raumkrmmung
flach
negativ gekrmmt
positiv gekrmmt
< 1
= 1
> 1
erlaubt Rckschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt)
= M / Mflach
allgemeineRelativitts-theorie
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bekannter Mastab
- neg. gekrmmt- flach- pos. gekrmmt
13,3
Mrd
. Lic
htja
hre
Geometrie = Form des Universums
= 1,02 +- 0,02
> 1 = 1 < 1
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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
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Ergebnis
5% atomare Materie ( =0,05)25% nichtatom. Materie (DM =0,25)70% dunkle Energie (V =0,70)insgesamt flach (=1,02+0,02 )
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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
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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
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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
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Unsere Sonne
Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberflche!
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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)
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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
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, 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:
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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 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
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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
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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
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Ingesamt 1800 Wissenschaftler aus 170 Instituten aus 35 Lndern
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ATLAS Experiment am CERN, GenfInbetriebnahme 2008
TU Dresden und ISEG RossendorfHochspannung 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 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
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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: (geht evtl nur in internet explorer?) http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/www/The%20World%20of%20Particles/The%20World%20of%20Particles_files/frame.htm
Filme zur Teilchenphysik: http://www.teilchenphysik.de/e26/e50
http://background.uchicago.edu/~whu/Papers/HuWhi04.pdfhttp://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.htmlhttp://www.joergresag.privat.t-online.de/mybk4htm/start4.htmhttp://www.weltderphysik.de/de/3667.phphttp://www.teilchenphysik.de/http://map.gsfc.nasa.gov/http://www.zeitnitz.de/Christian/Scope/Scope_ger.htmlhttp://www.atlas.ch/http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/www/The World of Particles/The World of Particles_files/frame.htmhttp://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/www/The World of Particles/The World of Particles_files/frame.htmhttp://www.teilchenphysik.de/e26/e50
Ring_dresden.pdfDie kosmische SymphonieDunkle Materie, Neutrinos und KosmologieRckblick zum UrknallAnalogie: SonneStrukturbildung im UniversumDer Nachhall des Urknalls Die Obertne des Kosmischen KlangsSchallwellen vermessen GeometrieRaumkrmmungZusammensetzung des Universums ErgebnisZwischenbilanzSind Neutrinos die Dunkle Materie? Neutrinos aus der SonneAtmosphrische NeutrinosErklrung der MessungenAndere Kandidaten fr Dunkle Materie?Der Large Hadron Collider LHC am CERNATLAS Experiment am CERN, Genf Inbetriebnahme 2008ZusammenfassungWeitere Hinweise auf dunkle MaterieWas schwingt da eigentlich?KorrespondenzenNeutrinos von der SonneInternationale Schlerforschungstage in Dresden:Masterclasses Hands on Particle Physicshttp://www.physicsmasterclasses.org
Literatur.pdf