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Moderne Physik: Elementarteilchenphysik,
Astroteilchenphysik, KosmologieUlrich Husemann
Humboldt-Universität zu BerlinSommersemester 2008
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
PräsenzübungWelche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle?
2
µ+ ! e+!e
K+ ! e+!e
n ! pe"!e
"0 ! ### ! e+e"
e+e" ! ##
✘ (Leptonenzahlerhaltung)
✔ (schwach)
✔ (schwach)
✔ (elektromagnetisch)
✘ (Impulserhaltung)
✔ (elektromagnetisch)
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
PräsensübungWelche der folgenden Zerfälle sind nicht erlaubt und warum? Welche Wechselwirkung vermittelt die erlaubten Zerfälle?
3
p ! !+!0
!" ! K0e""e
K" ! !0e""e
t ! W+bt ! Zc
!++ ! p!+
✘ (Baryonenenzahlerhaltung)
✘ (Energieerhaltung)
✔ (schwach)
✔ (schwach)
✘ (keine Flavor- ohne Ladungsänderung)
✔ (stark)
Kapitel 8.3
Entwicklung des frühen Universums
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Geschichte des Universums
5[CERN]
Fortschreitende Zeit: Energie/Temperatur nehmen ab (E = kBT → T[K] ≈ 11605·E[eV]):
Wichtige Epochen:
t < 10–43 s: Urknall
t < 10–34 s: Kosmische Inflation
t < 1 s: Baryogenese
t ≈ 3 min: Nukleosynthese
t ≈ 380.000 Jahre: Entkopplung Materie–Strahlung
t ≈ 109 Jahre: Erste Sterne und Galaxien
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Big-Bang-Kosmologie: ProblemeHorizont-Problem:
Kontinuierliche Expansion: Bereiche des Universums mit Winkelabständen > 1o bei Urknall nicht kausal verbunden (Informationsaustausch mit endlicher Lichtgeschwindigkeit)
Aber (COBE, WMAP): CMB isotrop bis auf O(10–5)
Flachheits-Problem:
Messung Energiedichte heute: Ω0 = ρ/ρkrit = 1,0052 ± 0,0064
Expansion: labiles Gleichgewicht bei Ω0 = 1 → heutiger Wert nur, wenn Ω(10–43 s) - 1 < 10–60!
6
-20
20 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.5
1
1–!(t)a(t)
Analogie: Kugel auf Bergrücken
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Kosmische InflationKosmische Inflation (A. Guth, 1980):
10–34 s nach Urknall: kosmologische Konstante dominiert Energiedichte im Universum
Universum expandiert für kurze Zeit exponentiell:
Ursache: Vakuumenergie von neuem Quantenfeld („Inflaton”)?
Inflation Lösung für beide Probleme:
Horizont: Expansion vergrößert kausal zusammenhängende Gebiete → gesamtes sichtbares Universum vor Inflation kausal verbunden
Flachheit: Expansion „glättet” jede Raumkrümmung
7
H2 =!
aa
"2=
!3! a =
#!3
a! a(t) = C · exp
$#!3
· t
%
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
ΛCDM-KosmologieHeutiges Standardmodell der Kosmologie: „ΛCDM”
Flaches Universum
Inflation
Kosmologische Konstante Λ
Kalte dunkle Materie (cold dark matter, CDM)
Kompatibel mit allen Beobachtungen, aber offene Fragen:
Kandidaten für dunkle Materie (WIMPs? → Entdeckung am LHC?)
Ursache der kosmologischen Konstante?
Ursache der Inflation?
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Kapitel 8.4
Experimente zu Dunkler Materie
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
WIMPs und SupersymmetrieWIMPs: schwere ungeladene Teilchen, stabil
WIMP-Kandidaten z.B. in Theorie der Supersymmetrie
Supersymmetrie = Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen (die letzte verbleibende Symmetrie)
Partnerteilchen zu jedem Standardmodellteilchen
Fermionen (Spin 1/2) → Spin-0-Partner („Squarks” und „Sleptonen”)
Eichbosonen (Spin 1) → Spin-1/2-Partner („Gauginos”)
Leichtestes supersymmetrisches Teilchen stabil → WIMP-Kandidat: neutrales Gaugino („Neutralino”)
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Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
DM-Suche an BeschleunigernSignatur am LHC: fehlende transversale Energie (ähnlich Neutrino)
Z.B. Kaskadenzerfall in Squark-Produktion
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Squark
Neutralino
pp! q ¯q
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
DM-Suche ohne BeschleunigerIdee: WIMP-Wechselwirkung mit Atomkern und Elektron → Ionisation und Wärme durch Rückstoß
Beispiel CDMS-II (cold dark matter search):
Detektor in Soudan-Mine (Minnesota) → Abschirmung kosmische Strahlung
Ionisation und Rückstoß in Germanium- und Siliziumblocks bei 10 mK (gegen thermische Bewegung)
Bisher keine Hinweise auf WIMPs
12[http://cdms.berkeley.edu/]
CDMS-Detektormodul
Kapitel 9
Astroteilchenphysik
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
ÜberblickUntersuchung von teilchenphysikalischen Vorgängen im Universum
Quellen kosmischer Strahlung und Beschleunigungsmechanismen
Transport und Ablenkung durch interstellares Medium
Detektoren mit Methoden aus der Teilchenphysik
Luftschauerarrays
Gammastrahlenteleskope
Neutrinoteleskope
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Kapitel 9.1
Energiespektrum der kosmischen Strahlung
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Kosmische StrahlungEntdeckung (V. Hess, 1912):
Ballon in bis zu 5 km Höhe
Resultat: Gasionisation nimmt mit Höhe zu → „Höhenstrahlung”
Ca. 1/3 der natürlichen Strahlenbelastung am Erdboden
Quellen: Sonne, weitere intra- und extragalaktische Quellen
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Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Energie geladener TeilchenDirekte Messung (< 105 GeV): Ballons, Satelliten, ISS
Absorption in Atmosphäre → große Höhen (>30 km)
Teilchenphysikdetektoren: Silizium, Kalorimeter, Cherenkov
Indirekte Messung (≥ 105 GeV): Luftschauerarrays
WW mit Atmosphäre: ausgedehnte Luftschauer
Großflächige Arrays → Sampling des Luftschauers
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[www.auger.de]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10 18[www.astroteilchenphysik.de]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Pierre-Auger-ObservatoriumStandort: Malargüe (Argentinien)
Hybriddetektor:
1600 Wasser-Cherenkov-Detektoren (1,5 km Abstand) → 3000 km2 (> Saarland)
4 Detektoren für Fluoreszenz-licht aus Luftschauer
Messungen von Richtung, Energie und chemischer Zusammensetzung (Fe oder H)?
19[www.auger.de]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Energiespektrum
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Schwerpunktsenergie wie bei LHC (14 TeV)
Ein Teilchen pro km2 und Jahr mit E > 109 GeV
[www.astroteilchenphysik.de]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
EnergiespektrumUnterhalb von E = 10 GeV: Ablenkung durch Sonnenwind und Erdmagnetfeld
Oberhalb von 10 GeV: Intensität (= Teilchen pro Energie, Fläche, Raumwinkel und Zeit) folgt Potenzgesetz
→ Quellen nicht thermisch (Planck’sches Strahlungs-gesetz: exponentielle Intensitätsabnahme)
< 107 GeV: γ = 2.7
≥ 107 GeV: γ = 3.0 → „Knie” im Energiespektrum
≥ 4·109 GeV: γ < 3.0 → „Knöchel” im Energiespektrum
≥ 5·1010 GeV: „GZK-Cutoff”
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I(E) =d4N
dE dAd!dt! E"!
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
EnergiespektrumKnie und Knöchel:
Ursache: keine eindeutige Lehrmeinung
Erklärungsversuche: Teilchen entkommen aus galaktischen Magnetfelder, Änderung des Beschleunigungsmechanismus
GZK-Cutoff (Greisen, Zatsepin, Kuz’min): ca. 5·1019 GeV
Protonen aus kosmischer Strahlung reagieren mit CMB-Photonen → resonante Produktion von Pionen
→ Teilchen mit höheren Energien müssen von Quelle mit Abstand < 75 Mpc stammen, um nicht absorbiert zu werden
Experimentell bestätigt (HiRes Fly’s Eye 2007, Auger 2008)
22
p+ ! ! !+! p"0 p+ ! ! !+! n"+
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
GZK-Cutoff
23
6
))-1
eV-1
sr-1 s
-2lg
(J/(
m
-37
-36
-35
-34
-33
-32
-31
E (eV)1810!3 1910 1910!2 2010 2010!2
72754172
26341804
1229824
561405
259171
10574
3119
117
1
1910!4
lg(E/eV)18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 20.2 20.4
)-1
-2.6
9J/
(Ax
E
-1
-0.5
0
0.5
1 Auger
HiRes I
FIG. 2: Upper panel: The differential flux J as a function of energy, with statistical uncertainties. Data are listed at [28]. Lower Panel: Thefractional differences between Auger and HiRes I data [3] compared with a spectrum with an index of 2.69.
the highest-energy region and from reductions of the systematic uncertainties in the energy scale which will allow the derivation
of a deconvolved spectrum.
Acknowledgments
We thank the technical and administrative staff in Malargue for their exceptional dedication and the following organisa-
tions for financial support: Comision Nacional de Energıa Atomica, Fundacion Antorchas, Gobierno De La Provincia de
Mendoza, Municipalidad de Malargue, NDM Holdings and Valle Las Lenas, in gratitude for their continuing cooperation
over land access, Argentina; the Australian Research Council; Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e Tec-
nologico (CNPq), Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro
(FAPERJ), Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Ministerio de Ciencia e Tecnologia (MCT),
Brazil; AVCR AV0Z10100502 and AV0Z10100522,GAAVKJB300100801, GACR 202/06/P006,MSMT-CR LA08016, LC527
and 1M06002, Czech Republic; Centre de Calcul IN2P3/CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Con-
seil Regional Ile-de-France, Departement Physique Nucleaire et Corpusculaire (PNC-IN2P3/CNRS), Departement Sciences de
l’Univers (SDU-INSU/CNRS), France; Bundesministerium fur Bildung und Forschung (BMBF), Deutsche Forschungsgemein-
schaft (DFG), Finanzministerium Baden-Wurttemberg, Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), Minis-
terium fur Wissenschaft und Forschung, Nordrhein-Westfalen, Ministerium fur Wissenschaft, Forschung und Kunst, Baden-
Wurttemberg, Germany; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Ministero dell’Istruzione, dell’Universita e della Ricerca
(MIUR), Italy; Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologıa (CONACYT), Mexico; Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Weten-
schap, Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Ma-
terie (FOM), Netherlands; Ministry of Science and Higher Education, Grant Nos. 1 P03 D 014 30, N202 090 31/0623, and
PAP/218/2006, Poland; Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Portugal; Ministry for Higher Education, Science, and Tech-
nology, Slovenian Research Agency, Slovenia; Comunidad de Madrid, Consejerıa de Educacion de la Comunidad de Castilla
La Mancha, FEDER funds, Ministerio de Educacion y Ciencia, Xunta de Galicia, Spain; Science and Technology Facilities
Council, United Kingdom; Department of Energy, Contract No. DE-AC02-07CH11359, National Science Foundation, Grant
No. 0450696, The Grainger Foundation USA; ALFA-EC / HELEN, European Union 6th Framework Program, Grant No.
MEIF-CT-2005-025057, and UNESCO.
[1] K. Greisen, Phys. Rev. Lett. 16, 748 (1966).
[2] G.T. Zatsepin and V.A. Kuz’min, JETP Lett. 4, 78 (1966).
Knöchel
GZK-Cutoff
[www.auger.de]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Hochenergetische PhotonenZiel: Suche nach Punktquellen (γ nicht abgelenkt)
Kosmische Photonen mit E > 100 GeV → Luftschauer mit Cherenkov-Kegel um Schauerachse
Beispiel: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System)
4 Spiegelteleskope in Hochebene nahe Gamsberg, Namibia
Nachweis des Cherenkov-Lichts
24
[http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/HESS.html]
Moderne Physik (PK 23a), HU Berlin, Sommersemester 2008, Vorlesung 10
Neutrino-AstronomieSuche nach Punktquellen kosmischer Neutrinos
Reaktion
Cherenkov-Licht des μ mit Photomultiplier nachweisen
Detektoren mit guten optischen Eigenschaften (= durchsichtig)
Wasser: Baikalsee, Antares (Mittelmeer),
Eis: AMANDA, IceCube (Südpol)
25[icecube.wisc.edu]
!µ +Kern! µ +X
Detektorvolumen: 1 km3
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