Experimentelle Astroteilchenphysik

Prof. Dr. Dieter Horns

Dr. Tanja Kneiske

Experimentelle Astroteilchenphysik

1. Einführung und Überblick2. Kosmische Strahlung auf der Erde3. Kosmische Strahlung in unserer Galaxie4. Transport kosmischer Strahlung in unserer

Galaxie5. Ursprung kosmischer Strahlung6. Extragalaktische Beschleuniger7. Dunkle Materie, Axionen und andere

Exoten

Einführung und Überblick

Einleitung Standardmodell der Teilchenphysik Standardmodell der Kosmologie

Was ist „Astroteilchenphsik“

Astronomie/Astrophysik: Beobachtung und physikalische Beschreibung astronomischer Objekte

Teilchenphysik: Elementarteilchen, Atome, Kerne (Standardmodell)

Kosmologie: Beschreibung des Univsersums als Ganzes (Standardmodell) Kosmogonie (Anfang des Universums)

Astroteilchenphysik in Deutschland

Gammaastronomie (Photonen > MeV) Primäre kosmische Strahlung

(geladene Komponente) Neutrino Astrophysik Neutrinomassen

Dunkle Materie Gravitationswellen

Kosmologie

Standardmodell der Teilchenphysik

Standardmodell der Kosmologie

Das Kosmologische Prinzip:- Homogen: an jedem Punkt gleich- Isotrop: in jeder Richtung gleich

(gilt nur auf großen Skalen ~100Mpc)

Größenskalen im Universum

Erde Sonnensystem Galaxien Galaxienhaufen Galaxiensuperhaufen Voids Zelluläre Strukturen

Drei Säulen des kosmologischen Modells

1. Expansion des Universums

2. Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

3. Elementhäufigkeit im Universum (primordiale Nukleosynthese)

1) Hubble Expansion

Edwin Hubble misst „verschobene Spektrallinien“ in Galaxien

Deutung als Dopplereffekt: Galaxien besitzen Geschwindigkeit v

Entdeckung Hubbles: Alle Galaxien entfernen sich

von uns Geschwindigkeit ist größer, je

weiter die Galaxie entfernt ist v = H0r = c / Hubble Gesetz ist eine

Illusion: Galaxien bewegen sich nicht, sondern das Universum expandiert !

Hubble Konstante H0

Rotverschiebung : z = ( Abstandsbestimmung : r

v = H0r = c = cz

Distanzmessungen

Standardkerzen: Objekte mit großer, bekannter absoluten Helligkeit1. Pulsationsveränderliche

(Cepheiden) Periode-Leuchtkraft-Beziehung: M = − 1,67 − 2,54 * log(p) r = 10 (m − M + 5) / 5

Entfernungen bis ca. 20Mpc

2. Supernova Ia (Binärsysteme)Entfernungen bis ca. 100 Mpc

Geschichte der Hubble Konstanten

E. Hubble findet H0 = 500 km s-1 Mpc-1

Alter des Universums:

= H0-1 = 978 x 109 (H0[km

Mpc-1s-1])-1

= 1.96 Gyr 1930: Alter der Erde

festegelegt auf 3 Gyr durch radioaktive Datierung

Aufteilung in 2 Gruppen: 50 und 100 km Mpc-1 s-1

H0 = 100 h km s-1 Mpc-1 (0.5<h<1.0)

WMAP

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beobachtet „Unregelmäßigkeiten“ der kosmischen Hintergrundstrahlung

73(3) km s-1 Mpc-1

Weltalter: 13.4 Gyr

Quelle: NASA/WMAP science team

2) Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

z = 103 (3x106a) Rekombination von Elektronen und Protonen zu Wasserstoff

Strahlungsfeld: T ~ 3x103 K Heute: T0 = T / (1+z) ~ 3 K Arno Penzias & Robert Wilson

1965 A) 2.725 K (53 GHz) B) ~ 3 mK (10-3 K)

Erdbewegung, kosmischer Dipol

C) ~ 20 K (10-6 K) Milchstrasse Bleibende Anisotropien

Quelle: COBE Project, DMR, NASA APOD 07.10.06

A)

C)

B)

3) Elementhäufigkeit im Universum

PrimordialeNukleosynthese: H, D (90%) 3He, 4He (8%) 7LiStellare Nukleosynthese: Kernfusion im Sterninneren 4He, 12C, 16O, Si, Ni und Fe Höhere Elemente gebildet durch

Neutroneneinfang und -ZerfallSpallation (Spaltungsreaktion) 6Li, 9Be, 10B und 11B Beschuss von Atomen im

interstellaren Medium durch kosmische Strahlung

Beobachtungen: Direkt: Messungen im Sonnenwind

und an Meteoriten Indirekt: aus beobachteten Spektren

Elementeverteilung im Sonnensystem

HHe

C, N, O

Fe

Sc

Be

F

Dynamik des Weltalls

Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M, Radius R und Volumen V = 4/3R3

Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf gesamtes Universum möglich.

GmHmREges3

4

2

1 22

Kritische Dichte c

Für k=0; = c=3H2/8G flaches Universum: Expansionsrate geht asymptotisch gegen 0

Für k>0; < c offenes Universum: unendliche Expansion des Universums

Für k<0; > c geschlossenes Universum: irgendwann folgt Stillstand und Kontraktion des Universums (Big Crunch)

2

2

2

2 3

82HG

c

R

mc

Ek

ges

Friedmann-Gleichung und kosmologische Parameter

Materiedichte: =m = tc

Raumkrümmung: R =r0R

Kosmologische Konstante: = /3H02

G

R

kc

R

R

3

82

22

Die kosmologische Konstante

1913 führte Einstein die kosmologische Konstante ein, um ein statisches Universum zu generieren

Einstein definierte Vakuumenergiedichte v:

=0 Vakuum hat keine Energiedichte In der Quantenphysik ist Vakuum nicht leer Durch Heisenberg‘sche Unschärferelation ergeben

sich Teilchen-Antiteilchenpaare Leider ist die Zahl aus beiden Theorien ca. 120

Größenordnungen unterschiedlich

vc

G 2

8

Friedmann-Gleichung mit kosmologischer Konstanten

KosmologischeDichte-Parameter:m R

Es gilt:m + R + WMAP:

R~0

m = 0.27(0.04), s = 0.004

=0.73(0.04)

)(3

82

22

vGR

kc

R

R

Evolution in einem Jahr

Kosmischer Kalender: 12 Gyr Geschichte des Universum in einem Jahr 1 Monat = 1 Gyr

Januar 1: Der Big Bang Februar : Die Milchstraße entsteht August 13: Die Erde entsteht Dezember 13: Erste Lebensformen Dezember 25: Aufstieg der Dinosaurier Dezember 30: Aussterben der Dinosaurier Dezember 31: 21:00 Erster Mensch Dezember 31: 23:58 Moderne Mensch entwickelt sich Dezember 31: 23:59:30 Ackerbau Dezember 31: 23:59:47 Bau der Pyramiden Dezember 31: 23:59:59 Kepler und Galileo zeigen, dass die Erde

sich um die Sonne dreht

Olber´sche Paradoxon Wenn das Universum seit jeher

eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: Die Gesamthelligkeit eines Sterns

ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht)

Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald).

Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.

Lösung

Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (107 Jahre)

Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen)

Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)

Effekt der Rotverschiebung

X0 = beobachtete Größe

X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t

30

0

10

0

0

)1(

)1(

)1(

)1(

zVV

zrr

zEE

z

z