Die Vakuumenergie des Universums Übersicht Woraus besteht das Universum? Was ist dunkle Energie? Vakuumenergie? Woher kommt die beschleunigte Expansion des Universums? (Nobelpreis 2011) Was ist dunkle Materie? AMS-02 und Suche nach DM

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

1

Die Zusammensetzung des Universums Nur Materie. keine Antimaterie

Schwarze Löcher sind baryonische Materie (Sterne), keine dunkle Materie, denn DM ist schwach wechselw. Materie Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

2

Supersymmetrie (Symmetry zwischen Fermion und Bosonen)

One half is observed! Prof. W. de Boer, KIT

One half is NOT observed! 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

3

Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

4

Entwicklung des Universums in einer GUT

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

5

durch Vakuumenergie?

Perlmutter Schmidt Riess Nobelpreis 2011 Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

6

Was ist Dunkle Energie? Vakuumenergie?

Vakuumenergiedichte praktisch konstant. Materie- und Strahlungsdichte nehmen ab mit der Zeit. Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

7

Gibt es ein perfektes Vakuum?

Antwort: NEIN, auch wenn man die Magdeburger Halbkugeln absolut leerpumpen könnte, wird es immer noch Strahlung der Wände g geben. (auch beim absoluten Nullpunkt (“Nullpunktsfluktuationen”) Quantummechanisch kann diese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden (erlaubt durch Heisenbergsche Unsicherheitsrelation)

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

8

Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar? Vakuumfluktuationen machen sich bemerkbar durch: 1) Lamb shift 2) Casimir Effekt 3) Laufende Kopplungskonstanten 4) Abstoßende Gravitation

Berechnung der Vakuumenergiedichte: 10115 GeV/cm3 im Standardmodell 1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3

Warum ist das Vakuum des Universums so leer? Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

9

Entwicklung des Universums

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

10

Vakuumenergie  abstoßende Gravitation (nach Newton) Expansion mit Geschwindigkeit

v=R´=dR/dt M



Betrachte Masse m in äußerer Schale mit Geschwindigkeit v. Sie spürt Gravitationspotential der inneren Masse M. Energie:

E= ½mv2-GmM/R

R m

=  ½mR´2-Gm(4R3/3)/R Energieerhaltung: dE/dt=0 oder

Vakuumenergie: ´ = 0 Beschleunigung: R´´= 8GR/3 Solution: R=R0et/ mit =3/8G 1/H0  013.8.109 a Prof. W. de Boer, KIT

R R - 4G/3(R R´R´´ 4 G/3(R2))´ = 0 R´R´´= 4G/3(2RR´+R2´)

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

11

Nobelpreis 2011 einfach erklärt Standard Kerzen: Laternen oder Supernovae 1a

Aus dem Hubbleschen Expansionsgesetz kann man Abstände herleiten unter der Annahme, dass es nur Materie mit anziehender Gravitation gibt. Beobachtet wird jedoch, dass die weit entfernten Supernovae weiter weg sind als vom Hubbleschen Gesetz vorhergesagt. Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne. Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat  beschleunigte Bewegung.

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

12

Sternentwicklung

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

13

Hubble Bild des Überrestes der Supernova 1987A Stern-Explosion vom 6. Februar, 1998 Die meiste Materie ist NICHT sichtbar mit optischen Teleskopen (wie Hubble) AMS kann jedoch die hochenergetische kosmische Strahlung g solcher Explosionen p sichtbar machen. Und nach dunkler Materie suchen, von der erwartet wird, dass bei der Vernichtung kosmische Strahlung in Form von Materie und Antimaterie entsteht.

Beachte: im sichtbaren Univ. 1011 Galaxien  300.000 SN / Stunde! Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

14

Entdeckung der dunklen Materie

Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt. Prof. W. de Boer, KIT

Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!)

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

15

Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie: sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw. Blau: dunkle Materie aus Gravitationspotential dunkel Rot: sichtbares Gas Beobachtungen: •Chandra X-ray telescope zeigt Verteilung des Gases •Hubble Space Telescope beobachtet Verteilung der dunkle Materie (via Gravitationslinsen) •Verteilungen sehr unterschiedlich -> dunkle Materie hat nur schwache Wechselwirkung! Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

16

Simulation der “Colliding Clusters” http://www.sciam.com/

August 22, 2006

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

17

“Seeking the lost seeds of the Big Bang” Dark matter makes up 83% of the matter in the universe and hence dominates the gravitational forces forming galaxies,

Prof. W. de Boer, KIT @Matthias Steinmetz

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

18

Energieinhalt des Universums

Zusammenfassung bisher Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! „Dunkle Energie“ sind Quantenfluktuationen?

If it is not dark, it does not matter

Prof. W. de Boer, KIT

„Dunkle Materie“ sind supersymmetrische Partner der Photonen? LHC und Raumfahrtexp. AMS-02 werden dies zeigen?

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

19

19

Vernichtung der dunklen Materie  Antimaterie!

DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein. Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet und die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie. Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung (am LEP Beschleuniger studiert) @http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

20

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 MATTER

ANTIMATTER

PLANE 1NS TRACKER PLANE 1N TRD

ACC

VACUUM CASE

MAGNET

UTOF

LTOF

TRACKER

RICH

Weight 7000 kg Volume 64 cubic meters Power 2500 watts Data downlink 2 Mbps (average) Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field) Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg Subsystems 15 particle detectors and supporting subsystems Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT Mission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth) Construction 1999-2010 RWTH + KIT  Transition Rad. Detector (Schael) (de Boer)

Cost $2 billion (estimated)

ECAL TRACKER PLANE 6

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

21

Alpha Magnetic Spectrometer - AMS-01 First flight, STS-91, 2 June 1998 (10 days)

Teste ob fragile Si-Sensoren Erschütterungen eines Starts überleben und mit den Temperaturschwankungen und Kühlung im Weltall zurechtkommen Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

22

AMS ist ein Teilchenphysik-Detektor im Weltall

Nobel Prizes, (1) Pulsar, (2) Microwave, Microwave (3) Binary Pulsars, (4) Solar neutrino X Ray sources

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

23

AMS in der Maxwell EMI Kammer am ESTEC (NL)

Prof. W. de Boer, KIT

24 39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

24

N A S A   Sh u t t l e   L a n d i n g   F a c i li t y

Air Force C-5 Galaxy für den Transport von AMS-02 von Genf nach Cape Canaveral September 2010

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

25

KIT verantwortlich für AMS nach dem Start

Payload Commander Andreas Sabellek von KIT vor Endeavour nach dem letzten Check von AMS in Endeavour Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

26

Launch, 16.5.2011 um 8:56 (European time)

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

27

AMS-02 installiert auf der ISS

Astronauten

AMS-02

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

28

Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

29

600 physicists, 60 institutes, 16 countries

Spokesman Sam Ting Nobelprize 1976

started AMS in 1994

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

30

Carbon Nucleus, 41.8 GeV Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

31

Astronautentag, 10.11.2011 in Karlsruhe

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

32

Endeavour Day 6: ISS tour

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

33

Day 6 from Vatican EndeavourEndeavour Day 6: Message

Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

34

Zusammenfassung Dunkle Energie dominiert unser Universum  abstoßende Gravitation! Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt. Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM. Satellitenexp. (AMS, Fermi,…) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der Antimaterie). Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet in diesem neuen Terrain Prof. W. de Boer, KIT

39. Guericke-Tagung, Magdeburg, 19.11.2011

35