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Lehrende/r: Prof. Dr. Julia Harz
Veranstaltungsart:
Vorlesung/Übung
Anzeige im Stundenplan:
Semesterwochenstunden:
4
Credits:
6,0
Unterrichtssprache:
Englisch
Min. | Max. Teilnehmerzahl:
- | -
Voraussetzungen / Organisatorisches:
Hilfreich ist Theoretische Physik 6 (08.128.165), zudem Kenntnisse aus Kosmologie und Allgemeine Relativitätstheorie (08.128.732) sowie grundlegende Kenntnisse über das Standard Modell der Teilchenphysik bspw. aus The Standard Model and Electroweak Theory (08.128.742) oder ähnlichen Veranstaltungen wie Kern- und Teilchenphysik (08.128.055).
Inhalt:
Die Vorlesung beschäftigt sich mit der Kosmologie des frühen Universums. Beginnend mit den Prinzipien der Homogenität und Isotropie, wird die Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker-Metrik eingeführt, die die Expansion des Universums beschreibt. Basierend auf der Einsteingleichung der allgemeinen Relativitätstheorie, werden wir dann die Evolution des Materie- und Energieinhalts des Universums beschreiben und mit heutigen Messungen verknüpfen. Anschließend werden werden wir das sogenannte Flachheits- und Horizontproblem der Kosmologie kennenlernen, welches eine Phase der beschleunigten Expansion erfordert - die Inflation. Wir werden lernen warum Inflation diese Probleme lösen kann, wie die Einführung eines skalaren Feldes hilft und wie Inflationsmodelle mit experimentellen Daten getestet werden können. Nach der Phase der beschleunigten Expansion, findet eine Aufwärmphase statt, die schließlich in ein heißes Plasma der Standardmodellteilchen im Gleichgewicht mündet. Wir werden diese Phase besprechen und uns danach mit der Thermodynamik im Gleichgewicht beschäftigen. Wir werden in diesem Kontext über die Entropie sowie die Anzahldichte relativistischer und nichtrelativistischer Teilchen reden, die zur Beschreibung verschiedener Konzepte, wie beispielsweise der Neutrinoentkopplung, der Baryogenese sowie der Evolution der Dunklen Materie relevant sind. Wir werden dann in der Lage sein, die Entwicklungsgeschichte des frühen Universums mit ihren signifikanten Ereignissen, wie beispielsweise der Neutrinoentkopplung, der Big Bang Nukleosynthese oder der Rekombination, zu verstehen. Vom Zeitpunkt der Big Bang Nukleosynthese und Rekombination haben wir quantitative Messungen der Materie-Antimaterieaysmmetrie, die zur Erklärung einen neuen Mechanismus - die Baryogenese - erfordert. Wir werden die theoretischen notwendigen Bedingungen (CP-Verletzung, B-L-Verletzung, thermisches Ungleichgewicht), die ein solcher Mechanismus erfüllen muss, besprechen, das Standardmodell auf diese Bedingungen hin überprüfen und verstehen, warum wir neue Physik zur Erklärung benötigen. Wir werden verschiedene Klassen von Baryogenesemodellen kennenlernen, u. A. die elektroschwache Baryogenese und die Leptogenese, welche eine natürliche Verknüpfung zur Neutrinophysik mit sich bringt. Die gelernten Konzepte im Kontext der Leptogenese (Boltzmanngleichungen) werden sich ebenso auf die Berechnung der Restdichte der dunklen Materie anwenden lassen. Während wir uns bis zu diesem Zeitpunkt überwiegend mit dem homogenen Universum befasst haben, werden wir uns dann ebenso mit dem inhomogenen Universum beschäftigen: mit von der Inflation ausgelösten primordialen Anisotropien, Anisotropien im kosmischen Mikrowellenhintergrund sowie den Einfluss von Anisotropien auf die Strukturbildung.
Ziel dieser Vorlesung ist es einen breiten aber dennoch gründlichen Überblick über den aktuellen Stand der Kosmologie des frühen Universums zu bekommen. Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden mit den grundlegenden, offenen Fragen der Astroteilchenphysik vertraut und haben mögliche theoretische Konzepte kennengelernt, diese zu erklären (z.B. Inflation, Leptogenese, Baryogenese). Der Kurs stattet die Studierenden mit dem notwendigen theoretischen Hintergrundwissen aus, um erste Forschungsarbeiten in diesen oder angrenzenden Themenbereichen unter Betreuung durchzuführen und schlägt eine Brücke zu aktuellen Forschungsthemen.
Empfohlene Literatur:
The Early Universe, Kolb and Turner
Physical Foundations of Cosmology, Mukhanov
Modern Cosmology, Dodelson
Cosmology, Baumann
Cosmology, Weinberg
Zusätzliche Informationen:
Im Falle eines Überlapps mit anderen Vorlesungen kann, sofern mehrheitlich gewünscht, in der ersten Woche noch eine Anpassung der Vorlesungszeit diskutiert werden.
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