KZO Wetzikon Kosmologie und Teilchenphysik Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold
KZO Wetzikon
Kosmologie und Teilchenphysik
Astronomiefreifach HS 2002/2003
Stefan Leuthold
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 2
Repetition Teilchenphysik
Elementarteilchenfamilien
Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik
Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
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
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+.
2/3 - 1/3 - 1 0
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.
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
∞
∞
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 7
Grössenverhältnisse
Atom Kern Proton
Kern
Protonen undNeutronen
Quarks
10-10 m 10-14 m 10-15 m
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 8
Repetition Teilchenphysik
Elementarteilchenfamilien
Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik
Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
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
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)
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 11
Repetition Teilchenphysik
Elementarteilchenfamilien
Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik
Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
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.
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 13
Kreisbeschleuniger: Zyklotron
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.
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 15
Geschichtliches über Beschleuniger
Ernest Lawrence:Erstes Zyklotron, 1930.
Energie: 80‘000 eV, Durchmesser: 32 Inches
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 16
Tevatron am Fermilab, Chicago.
Bestes ZyklontronEnergie: Etwa 2000 GeVDurchmesser: 4 Meilen
Interessante Maßstäbe...
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.)
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.
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.
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 20
Repetition Teilchenphysik
Elementarteilchenfamilien
Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik
Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
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.
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.
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
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 24
Urknalluntersuchung im Labor |3
He-4 Bindungsenergie sehr hoch=> Häufigkeit von He-4 gross
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).
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
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).
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
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.
Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Folie Nr. 31
Kosmologie ist schön.