Die ersten 3 Minuten

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Hauptseminar Astroteilchenphysik Kosmische
Strahlung

• Die ersten 3 Minuten Elemententstehung im
  Urknall

Philipp Burger
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Inhalt

• I. Energie- Zeitskalen
• II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum
• III. Planck Ära
• GUT Ära
• IV.1. Supersymmetrie
• IV.2. Baryogenese
• IV.3. Abspaltung der starken WW
• V. Quark Ära
• V.1. Thermisches Gleichgewicht
• V.2. elektroschwacher Phasenübergang

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• Hadronen Ära
• VI.1. Bildung von Hadronen
• VI.2. Entkopplung der Neutrinos (Freeze Out)
• Leptonen Ära
• VII.1. Elektron Positron Annihilation
• VII.2. Reheating
• Nukleosynthese
• VIII.1. Bildung von leichten Kernen
• VIII.2. Andere Kerne
• VIII.3. Massenverhältnisse
• IX. Entkopplung der Photonen

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(No Transcript)
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I. Energie- und Zeitskalen

• Hubble-Parameter
• kritische Dichte
• Energiedichte

(Strahlung)
(Materie)
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• Temperatur
• Zeit

(Strahlung)
(Materie)
(Strahlung)
(Materie)
Temperatur Zeit
Energie Temperatur
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II. Strahlungs- / Materiedominiertes Universum

• Energie im frühen Universum hauptsächlich durch
  Strahlung bereitgestellt (strahlungsdominiert)
• nach tc 66000a Übergang
• mit
• Materie kühlt langsamer ab ("mc2")

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• Strahlung und Materie nie im thermischen
  Gleichgewicht

materiedominiert
strahlungsdominiert
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III. Planck - Ära

• Planck Skala
• Schwarzschild-Radius
  
• Compton-Wellenlänge
• Quanteneffekte Gravitationseffekte

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• tP lt 10-43s , lP 10-35m , EP 1019GeV
• hohe Dichte (1094 g cm-3) und Temperatur
• eine Urkraft
• Grenzen physikalischer Gesetze (Quantengravitation
  )

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IV. GUT - Ära

• t 10-43s - 10-36s, E 1016GeV
• Gravitation spaltet sich als Kraft ab (spontane
  Symmetriebrechung)
• restlichen 3 Kräfte in GUT vereint (X-Kraft)
• (Grand Unified Theory)
• Supersymmetrie (Susy)
• Baryonenasymmetrie (Baryogenese)

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IV.1. Supersymmetrie (Susy)

• Einführung neuer Teilchen (Susypartner)
• Teilchenmassen
• 100 - 2000GeV
• Bisher noch kein
• Teilchen gefunden
• Vereinheitlichung
• der Kräfte

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Vereinheitlichung der Kräfte
em
schwache
starke
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IV.2. Baryogenese

• Sacharowbedingungen
• 1.Baryonenzahl muss verletzt sein
• 2.C- und CP-Verletzung
• 3.Thermodynamisches Ungleichgewicht
• unterschiedliche Wirkung der GUT-Kraft auf
  Teilchen bzw Antiteilchen

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• X- und Y-Bosonen (mX 1015GeV) zerfallen bei T
  1029K in Quarks und Leptonen

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• auf 100000000 Antiteilchen kommen 100000000 1
  Teilchen
• auf 1 Teilchen kommen 1Milliarde Photonen
  (Baryonen-Photonen-Verhältnis)

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IV.3. Abspaltung der starken WW

• t 10-36s , T 1027K
• Beschleunigte
• Expansion
• inflationäres
• Universum
• Exponentielle
• Zunahme

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• Ausdehnung um Faktor 1050 (Überlicht)
• Inflation löst verschiedene Probleme der
  Urknalltheorie
• Horizontproblem
• Flachheitsproblem
• magnetischen Monopole

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Horizontproblem

• Teilchen aus A und B
• jeweils 1010a
• unterwegs
• A und B haben
• gleiche Temperatur
• ohne Inflation wären
• A und B nie im kausalen Kontakt gewesen

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Flachheitsproblem

• gt 1 "Big Crunch"
• lt 1 keine Sterne
• und Galaxien (Expansion)
• Messungen
• Wahrscheinlichkeit dass

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magnetische Monopole

• Maxwell-Gleichungen
• Dirac da elektr. Ladung
• quantisiert, muss es
• magnetische Monopole geben
• bisher noch nicht entdeckt
• Monopole durch Inflation ausgedünnt

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V. Quark - Ära

• t 10-33s - 10-5s ,
• Beginn der Ära bei T 1025K , E 1012GeV
• Quark - Gluon - Plasma
• einzelne Quarks und Antiquarks
• keine X-Bosonen mehr
• noch keine Hadronen

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V.1. Thermisches Gleichgewicht

• alle Elementarteilchen im thermischen
  Gleichgewicht
• Prozesse laufen gleichhäufig ab

(Produktion)
(Annihilation)
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V.2. Elektroschwacher Phasenübergang

• t 10-11s , T 1016K , E 100GeV
• elektroschwache Kraft spaltet auf
• (erneut spontane Symmetriebrechung)
• W-, Z-Bosonen, Quarks, Leptonen
• erhalten Masse
• 4 Kräfte
• Entkopplung der Kräfte abgeschlossen

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(No Transcript)
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VI. Hadronen - Ära

• t 10-5s - 10-4s , T 1013K , E 100MeV
• VI.1. Bildung von Hadronen
• ungefähr gleich viel p wie n
• n und p wandeln sich ineinander um

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• durch Umwandlung entstehen viele Neutrinos
• p und n im thermischen Gleichgewicht bis etwa T lt
  1010K
• mittlere Energie der Neutrinos zu klein um n zu
  erzeugen

• Abnahme von n/p

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VI.2. Entkopplung der Neutrinos

• t 50ms , T 4 1010K , E 4MeV
• Wechselwirkungsrate

• lt Expansion

(mittlere freie Weglänge)

• Neutrinos nehmen nicht mehr an WW teil

("Freeze out")
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VII. Leptonen - Ära

• t 10-4s - 1s , T 1012K
• weitere Abkühlung
• Energie reicht nur noch aus um ee- Paare zu
  erzeugen (Paarerzeugung)
• Elektron und Positron sind dominante
  Teilchensorten

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VII.1. Elektron - Positron - Annihilation

• t 1s , T 1010K , E 1MeV
• Energie reicht nicht mehr aus um ee- Paare zu
  erzeugen (me 511keV)
• nicht mehr möglich
• möglich
• Annihilation der ee- - Paare
• "Reheating"

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VII.2. Reheating

• Abschätzung der Erwärmung
• Entropieerhaltung
• Freiheitsgrad
• nPauli 7/8 für Fermionen, 1 für Bosonen

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VIII. Nukleosynthese

• t 1s - 180s , T 109K , E 100keV
• weitere Abkühlung
• p und n nicht mehr relativistisch
• Teilchendichte der n und p
• Verhältnis von n und p (t 1,5s)

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• Bildung von Deuteronen, aber auch
  Konkurrenzprozess (hochenergetische Photonen)
• Neutronenzerfall

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VIII.1. Bildung von leichten Kernen
99 der Neutronen sind in 4He gebunden.
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VIII.2. Andere Kerne

• t 180s - 1000s , E 80 - 90keV
• effektive Deuteron - Bildung (auch Tritium)
• keine stabilen Kerne mit A 5 oder 8
• in seltenen Fällen Bildung von 7Li und 7Be

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VIII.3. Massenverhältnisse

• fast alle n enden in 4He
• 25 der Masse des Universum ist 4He
• 75 sind p
• 3He und 7Li sind in Spuren vorhanden
• schwere Elemente bis Eisen erst später
  (Spallation, Kernreaktionen in Sternen)

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(No Transcript)
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IX. Entkopplung der Photonen (CMB)

• t 300000a , T 105K , E 13,6eV
• e- und Photonen nicht mehr im thermischen
  Gleichgewicht
• neutrale Elemente

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Literatur

• C. Grupen - Astroparticle Physics
• (Springer Verlag 2005)
• Matts Roos - Introduction to Cosmology
• (Wiley 2003)
• de Boer - Skript "Einführung in die Kosmologie"
• Internet