Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal

Presentatie over: "Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal"— Transcript van de presentatie:

1 Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal
Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal

2 Vorig college: Inflatie: quasi-de Sitter fase gedreven door
scalair veld; Oplossing voor: - vlakheidsprobleem - horizonprobleem Echter: noodzaak van een “herstart”: de Little Bang

3 Oplossing Horizonprobleem

4 Waarom is de Little Bang nodig?
Na inflatie: het heelal is leeg en veel te koud tenzij....!

5 Little Bang: omzetting vacuümenergie

6 2. Centrale vraag: hoe bepaal je de samenstelling van de
“hete oersoep”?

7 Een pessimistische visie:

8

9 NATUURLIJKE FRIEDMANN-VERGELIJKING (post-Inflatie: vlak heelal!)
In dimensieloze vorm: g* = statistisch gewicht ~ aantal relativistische deeltjessoorten

10 Uit quantum statistiek:
Bij frequente botsingen heerst thermisch evenwicht en geldt:

11 Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

12 Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

13 Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

14 Berekening g* in het Standaard Model:
Deeltjessoorten # verschillende quantumtoestanden bijdrage aan g* Fotonen: 2 polarizaties 2 Geladen leptonen: 2x(2 spin: + ½, -½) x (3 generaties) x(7/8) Neutrino’s x(1 spin)2 x(3 generaties) x(7/8) Quarks: 2x(2 spin) x (3 colors) x (6 flavors) x(7/8) W± & Z0: 3x(3 spin: +1, 0 -1) Gluons 2x(8 color states) Higgs-deeltje Totaal: g*= 1 3 generaties: electron, muon and tau family; 2 alleen left handed neutrino’s, right handed anti-neutrino’s in SM! 3 smaken: up, down, strange, charm, bottom, top

15 Evolutie van g* (conversie: 1 MeV ~ 1010 K)

16 Balansvergelijking voor deeltjesdichtheid n:
Expansie van het Heelal Productie in botsingen Destructie in botsingen

17 Botsingsfrequentie en de vrije weglengte

18 Simpele dimensie-analyse:

19 Drie stadia: productie en destructive verlopen
Thermisch evenwicht: productie en destructive verlopen veel sneller dan de expansie van het heelal: “ondoorzichtig Heelal” Ontkoppeling: “Bevriezing: productie en destructie zijn verwaarloosbaar: alleen verdunning door de expansie van het Heelal; “doorzichtig Heelal”

20 In thermisch evenwicht:
“Slave to the temperature”

21 Overlevingskans, massa en temperatuur voor stabiele deeltjes:
Op ontkoppelings- moment: Na ontkoppeling:

22

23 Thermische geschiedenis van het vroege heelal

24 VOORBEELD: de neutrino verstrooiingslengte en de doorzichtigheid van het heelal voor neutrino’s
Werkzame doorsnede en vrije weglengte van neutrino-verstrooiing door elektronen & positronen:

25 Stralings-gedomineerd heelal (alles in natuurlijke eenheden)
Friedmann: Horizon afstand: Neutrino verstrooiingslengte:

26 Verhouding neutrino verstrooiingslengte en horizon afstand:

27 Friedmann (stralings-gedomineerd) + zwakke wisselwerking
Evolutie heelal Friedmann (stralings-gedomineerd) + zwakke wisselwerking

28 Waterstofverbranding (voorwereldlijke nucleosynthese)
Neutron verval (τn ~ 12 minuten)

29 Bij lage temperatuur is deze reactie niet mogelijk!
Bij hoge temperatuur wordt deuterium door botsingen vernietigd!

30 The Deuterium Bottleneck:

31

32

33

34 Temperatuur [K] Fractie van de totale energiedichtheid ρc2 Schaalfactor R(t) met R0 =1

35 Einde vroeg heelal: vorming Kosmische Achtergrondstraling
Heelal wordt doorzichtig als de ionisatiegraad klein genoeg is: weinig vrije elektronen! Ionisatie-energie waterstof: foton verstrooiingslengte:

36 Heelal doorzichtig Heelal ondoorzichtig roodverschuiving z:

37 Daarna: structuurvorming

38

39

40

41 OPEN VRAGEN: Quantumgravitatie: “oorzaak” van de Big Bang; Details Inflatiemechanisme; Donkere energie in het huidige heelal; De aard van Donkere Materie.

42 Thank you for your attention! The Big Bang