Theorien zum Urknall und dessen Erforschung im CERN. Die ungelöste Frage des Anfangs des Universums

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die verschiedenen Theorien zum Urknall bzw. zur Entstehung des Universums
2.1 Big Bang Theorie
2.1.1 Beschreibung
2.1.2 Entdeckung
2.1.3 Probleme
2.1.4 Beweise zum Urknall
2.2 Schleifen-Quantengravitations-Theorie
2.2.1 Beschreibung
2.2.2 Probleme
2.2.3 Weiterführende Theorie
2.3 Steady State Theorie
2.3.1 Beschreibung
2.3.2 Probleme
2.4 Multiversen Theorie
2.4.1 Beschreibung
2.4.2 Problem
2.5 Vierdimensionales Schwarzes Loch Theorie
2.5.1 Beschreibung
2.5.2 Probleme
2.5.3 Vorteile
2.6 Big Rip
2.6.1 Beschreibung

3 CERN
3.1 Geschichte
3.2 Erster Beschleuniger
3.3 LHC
3.3.1 Allgemein
3.3.2 Vorbeschleuniger und Aufbau des LHCs
3.3.3 Die Experimente
3.3.4 Datenverarbeitung
3.4 Nächstes Ziel Supersymmetrie
3.5 Was wurde gefunden
3.5.1 Higgs-Boson
3.5.2 Antimaterie Durchbrüche
3.5.3 Z- und W-Boson
3.5.4 Pentaquarks

4 Schluss

5 Literaturverzeichnis

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den verschiedenen Theorien zum Ursprung des Universums und den dazu durchgeführten Experimenten am CERN. Dabei haben die Fragen nach der Plausibilität der Theorien, nach heutigen Standards, besonderen Wert. Die Erläuterung der dazu geführten Experimente am CERN unterstützt diese Untersuchung. Der erste Teil bearbeitet konkret die verschiedenen Theorien, deren Beweise und aufgetretene bisher ungelöste Probleme. Der zweite Teil behandelt primär den Aufbau und die Funktion des LHCs am CERN, sowie die Ziele der dortigen Arbeit und deren Erfolge. Anschließend werden die Theorien bewertet und evaluiert. Als primäre Informationsquelle für diese Arbeit wurde die Literatur herangezogen. Diese Literaturrecherche unterstützte ich durch einen Besuch beim CERN, bei dem ich mich mit der Funktionsweise der zugehörigen Experimente vor Ort vertraut machte. Es zeigt sich, dass die Urknall Theorie als bekannteste Theorie, trotz einiger ungelöster Fragen, den Anfang des Universums am besten beschreibt. Sollte es in der Zukunft zu schwerwiegenden Problemen mit der Urknall Theorie kommen, wäre die Schleifen-Quantengravitations-Theorie ein geeigneter Nachfolger, da sie im Vergleich mit den anderen Theorien, am wenigsten Probleme aufweist.

1 Einleitung

Bis zum Urknall und noch viel weiter. Genau darum geht es in meiner Arbeit, denn sie befasst sich mit den verschiedensten Theorien die entweder den Urknall erklären oder zumindest versuchen eine Erklärung zur Entstehung des Universums zu geben. Einige der wichtigsten Literaturen, die versuchen genau diese Theorien zu beschreiben, stammen von Martin Bojowald und Gian Francesco Giudice. Besonders das im Jahre 2010 erschienene Buch von Bojowald (Zurück vor den Urknall) befasst sich eingehend mit der Theorie der Schleifen-Quantengravitation und erklärt diese auch ausführlich (Bojowald 2010). Doch auch das Buch von Giudice ist unverzichtbar, da es die Frage was in den ersten Sekunden nach dem Urknall passiert ist thematisiert und genauestens beschreibt (Giudice 2012). Gemeinsam mit diesen zwei Büchern und ein paar anderen Quellen soll diese Arbeit zeigen, dass es neben der herkömmlichen Urknalltheorie, die jeder kennen sollte, noch andere Theorien gibt, die die Entstehung unseres Universums thematisieren. Jedoch verfolgt meine Arbeit noch ein zweites Ziel, nämlich eine Erklärung was am CERN stattfindet und wie dies zustande kommt. Denn das Einzige was man in den herkömmlichen Nachrichten vom CERN hört, sind Weltuntergangstheorien. Deswegen soll meine Arbeit diese Missverständnisse bereinigen.

Bei der Bearbeitung werde ich zwei Methoden verwenden um genau dieses Ziel zu erreichen. Zum einen werden Bücher als Quellen verwendet um mir nötiges Wissen anzueignen und zum anderen habe ich einen Ausflug zum CERN selbst gemacht um mich dort zu informieren.

Meine Arbeit gliedert sich dabei grob in zwei Teile. Im ersten Teil werden primär Theorien zur Entstehung des Universums behandelt und welche Probleme sie besitzen. Der zweite Teil befasst sich hauptsächlich mit dem Aufbau des größten Teilchenbeschleunigers am CERN, seinen Experimenten, welche Teilchen bis jetzt gefunden wurden und was als nächstes gesucht wird.

Auf die Frage wie und nach welchem Prinzip die Detektoren im Teilchenbeschleuniger arbeiten, werde ich in meiner Arbeit nicht eingehen, da eine Erklärung dieser den Rahmen sprengen würde. Aus genau demselben Grund werde ich keine Berechnungen zur Überprüfung der verschiedenen Theorien anstellen.

2 Die verschiedenen Theorien zum Urknall bzw. zur Entstehung des Universums

2.1 Big Bang Theorie

„ Sie ist heute die am meisten anerkannte Theorie der Entstehung des Universums “^[1], die Big Bang Theorie.

2.1.1 Beschreibung

Die Urknalltheorie besagt, dass das Universum aus einer unvorstellbar großen Explosion hervorging und sich seit dem vergrößert.^[2] Bereits hier unterscheiden sich die Meinungen mancher Wissenschaftler. Manche sagen, dass das Universum in einem enorm dichten und heißen Zustand vor dem Urknall war. Andere wiederum meinen, dass miteinander kollidierende Atome den Urknall und somit die Entstehung des Universums auslösten. Die gängigste Theorie ist dabei jene mit den kollidierenden Atomen, weswegen auch CERN gebaut wurde.

2.1.2 Entdeckung

Bereits 1919 befassten sich die Wissenschaftler Einstein und de Sitter mit der Frage wie das Universum entstanden ist, bzw. ob das Universum nicht am Anfang doch Masse besaß. Sie kamen zu dieser Schlussfolgerung, nachdem sie Beobachtungen zur Dichte des Universums anstellten. Bei diesen Beobachtungen stellte sich heraus, dass das Universum eine sehr geringe Gesamtdichte besitzt, der größte Teil des Universums sozusagen aus Nichts besteht und expandiert. Aus diesen zwei Gegebenheiten entwickelten sie ein Expansionsmodell des Universums, das ‚De-Sitter-Einstein-Modell‘. Vorstellen kann man sich dieses Modell wie bei einem Luftballon, nur das die Oberfläche des Universums eine Dimension höher ist. Bläst man den Luftballon auf, expandiert er und alle Punkte bewegen sich gleichmäßig voneinander weg. Beim Universum ist es ähnlich, nur wie schon erwähnt eine Dimension höher. Deswegen lässt sich auch kein Zentrum für die Expansion finden. Aus diesem Modell schlussfolgerten die beiden Wissenschaftler, dass das Universum, nachdem es expandiert, irgendwann einmal in einem Punkt konzentriert war. Das war die Geburt der Urknallhypothese.^[3]

Ein Jahrzehnt später, 1929, machte Hubble eine Entdeckung die die Hypothese bekräftigte. Bei seinen Beobachtungen von fernen Galaxien bemerkte er, dass sich deren Frequenzspektrum zu niedrigen Frequenzen hin verschoben hat, genannt: Rotverschiebung. Unter der Rotverschiebung versteht man ein im Universum auftretendes Phänomen. Leuchtende Objekte die sich von der Erde weg bewegen erscheinen röter als leuchtende Objekte die sich auf die Erde zubewegen. Hubble schlussfolgerte daraus, dass sich die Galaxien von unserer Erde weg bewegten. Dabei fiel ihm auch auf, dass umso weiter die Galaxien von der Erde entfernt waren, umso schneller bewegten sie sich (‚Hubble’sche Gesetz‘). Dadurch war Hubble in der Lage den Radius des Universums zu berechnen, den er auf etwa 13 Mrd. Lichtjahre schätzte.^[4] 1948 entwickelte der Wissenschaftler Gamow eine Theorie, in der das Universum aus einem großen Knall entstanden sei. Jedoch hielten viele seine Theorie für unglaubwürdig, da die meisten Physiker in jener Zeit glaubten, dass sich das Universum in einem ewig gleichen und stabilen Zustand befinde. In dieser Zeit festigte sich auch der Begriff ‚Big Bang‘, die ein Kritiker Gamows im Radio zum ersten Mal benutzte. Gamows Theorie war aber nicht rein spekulativ, sondern machte auch eine Vorhersage. Laut seinen Berechnungen sollte sich ein Überbleibsel des Urknalls, in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung, noch heute messen lassen. Mit einer Temperatur von rund 5°K über dem absoluten Nullpunkt (5°K oder -265°C), sollte diese Strahlung das gesamte Universum durchsetzen.^[5]

Inwiefern ist nun die kosmische Hintergrundstrahlung zusammenhängend mit dem Urknall. Die Strahlung selbst ist circa 380 000 Jahre nach dem Urknall entstanden. Vor diesem Jahr befanden sich jegliche Strahlungen und jegliche Materie im thermischen Gleichgewicht. Zu diesem Zeitpunkt war die Materie aber ausreichend abgekühlt sodass Protonen und Elektronen das erste Element (Wasserstoff) bilden konnten. Dies bereitete den Weg für die Strahlungen, denn ohne freie Elektronen und Protonen mussten sie nicht mehr mit der Materie wechselwirken. Dieses Phänomen wird als Thomson-Streuung bezeichnet.^[6]

1964 kam dann der erhoffte Durchbruch. Die Forscher Penzias und Woodrow Wilson nutzten eine starke Antenne ihres Forschungsinstituts, um schwache Himmelssignale zu empfangen. Diese schwachen Signale entstanden als Echo von Strahlungsreflexionen an Ballonsatteliten. Trotz Filter und größtmöglicher Bemühungen, zeigte sich in den empfangenen Signalen ein konstantes Grundrauschen. Erst als ein Freund von anderen Forschern erzählte, die versuchten die Hintergrundstrahlung zu messen, erkannten sie das wahre Ausmaß ihrer Entdeckung. Sie hatten die Überreste der Gamow’schen Strahlung, welche aus dem Urknall hervorging, gemessen. Das einzige was an Gamows Aussage nicht stimmte war, dass sich die Temperatur um zwei Grad von seiner Vorhersage unterschied.^[7]

2.1.3 Probleme

Alles was uns die Forscher zum Anfang des Universums sagen können ist, dass es am Anfang einen Urknall gegeben hat, welcher die Ausdehnung des Universums noch heute antreibt. Mithilfe verschiedener Theorien und der Mathematik waren die Forscher in der Lage, sich bis zu einer Zeit von 10-32 Sekunden nach dem Urknall heranzutasten. Zu dieser Zeit war das Universum circa so groß wie eine Grapefruit und kalt genug um die vier Grundkräfte auszubilden. Unter den vier Grundkräften versteht man: die elektromagnetische Kraft, wodurch sich elektrische Ladungen entweder anziehen oder abstoßen. Die Gravitation die beschreibt, dass sich Materie gegenseitig anzieht. Die Gravitation ist auch dafür zuständig welche Größe und Form Strukturen im Universum einnehmen. Die Schwache Kraft ohne der wir nicht leben könnten, da sie den Atomkern zusammenhält und zu Letzt die Starke Kraft. Sie hält die Nukleonen von Atomen in sich selbst zusammen. Was vor den 10-32 Sekunden passierte bleibt jedoch weitestgehend im Dunklen.

Ein weiteres Problem ergibt sich aber genau in diesem nicht erklärbaren Zeitraum. Denn in der Zeit zwischen 10-36 und 10-33 Sekunden, soll sich das Universum um das 1030-fache ausgedehnt haben. Das entspricht einer Ausdehnung von der Größe eines Protons auf die Größe eines Tennisballes. Vergleichbar ist diese auch mit einer Ausdehnung von der Größe eines Stecknadelkopfes auf circa die doppelte Größe unseres Sonnensystems.

Die Geschwindigkeit für diese Ausdehnung betrug circa 654 654 654 *1022 m/s, was schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt circa 300 000 000 m/s bzw. 1 080 000 000 km/h. Mit dieser Geschwindigkeit breitet sich Licht im Universum aus. Im Grunde ist dies nicht unmöglich, nachdem es nicht eine überlichtschnelle Ausbreitung im Raum, sondern des Raumes selbst war.^[8]

2.1.4 Beweise zum Urknall

1. Galaxienbewegungen: Der erste Beweis den die Wissenschaft bezüglich dem Urknall erbringen konnte war der Hubble-Effekt. Bei diesem wurde entdeckt, dass sich alle Galaxien gleichermaßen mit dem Raum ausdehnen. Diese Bewegungen der Galaxien konnte man auch durch die Rotverschiebung der Galaxien feststellen, da sich die meisten ihrer Lichtstrahlen im roten spektralen Bereich befinden. Ausnahmen bilden dabei nur die Galaxien die sich in unsere Richtung bewegen (z.B.: Andromeda)
2. Kosmische Hintergrundstrahlung: Das älteste jemals gemessene Signal stammt vom Urknall, denn von allen Seiten trifft gleichermaßen eine Wärmestrahlung von etwa drei Kelvin auf uns. Erklärt wird diese Strahlung durch den Feuerball nach dem Urknall der durch die stetige Expansion des Universums immer weiter auseinander trieb und dadurch abkühlte. Diese Theorie wird durch die vorhin schon erwähnte Isotropie (von allen Seiten gleichermaßen) der Strahlung unterstützt.
3. Supernovae: Durch Sternenexplosionen, auch Supernovae genannt, der Kategorie Ia kann das Universum vermessen werden. Eine Supernova der Kategorie Ia tritt in einem Doppelsternsystem bestehend aus einem weißen Zwergstern und dessen begleitenden Stern auf. Dabei stiehlt der weiße Zwerg dem anderen Stern Masse bis seine Eigenmasse so groß ist, dass er kollabiert, explodiert und Kohlenstoff fusioniert. Die Supernova des weißen Zwerges fungiert dabei als Standardkerze. Als Standardkerze können astronomische Objekte mit immer gleichbleibender Helligkeit fungieren. Durch sie kann man das Universum vermessen.
4. Häufigkeit der ersten Elemente im Universum: Am Anfang des Universums war es noch so heiß, sodass Elemente durch thermonukleare Fusion erzeugt wurden. Dies endete jedoch durch die Abkühlung infolge der Ausdehnung. Nur Sterne führen diese Tradition weiter. Diese Zeit, in der das Universum in der Lage war selbst Elemente herzustellen, heißt primordiale Nukleon Synthese. Diese Verteilung der primordialen Elemente, wie Wasserstoff und Helium, passen perfekt zum Modell des Urknalls.^[9]
5. „ Verteilung und Anzahl der Galaxien: Die Art und Weise wie sich Galaxien großräumig anordnen und zu Galaxienhaufen zusammenfinden kann ebenfalls astronomisch sehr genau kartiert werden. Es zeigt sich, dass sich die Modelle für Galaxienhaufen dazu eignen, um aus Vergleich von Beobachtung und Theorie die kosmologischen Parameter zu bestimmen. […] Das wichtige Resultat lautet: Die Analysen mit Galaxienhaufen ergeben den gleichen Satz kosmologischer Parameter und decken sich so mit der Hypothese eines Urknalls. “ ^[10]

2.2 Schleifen-Quantengravitations-Theorie

2.2.1 Beschreibung

Zuerst einmal eine kleine Erklärung was die Schleifen-Quantengravitation eigentlich ist. Räume die keine Materie enthalten werden in der Physik mit dem Zustand eines Vakuums beschrieben. Jedoch gehen verschiedene Theorien, wie z.B.: die Schleifen-Quantengravitation, einen Schritt weiter und sagen, dass es selbst in diesen vermeintlich leeren Räumen etwas gibt, nämlich räumliche Atome/Teilchen. So wie Atome durch Hinzufügen von Energie in einen höherenergetischen Zustand geraten können, ist dies auch den Raumteilchen möglich, dafür benötigen sie aber keine Energie aus externen Quellen. Eine kleine Unterscheidung ist dabei noch vorzunehmen, denn die Raumteilchen erheben sich dann nicht in einen höherenergetischen Zustand, sondern erzeugen mehr ‚Raum‘ was^[11] „bedeutet, dass das Universum aus sich selbst heraus wachsen kann.“^[12] Vergleichbar mit einem Luftballon den man aufbläst und immer wieder Gummi hinzufügt, sodass er nicht platzt.

Laut der Theorie gibt es kein Vakuum so wie wir es kennen, da immer noch die Raumteilchen enthalten sind. Erst wenn man diese auch entfernt und wirklich nichts mehr vorhanden ist herrscht das Vakuum der Theorie. Dieser Zustand wird als Höllenzustand bezeichnet, da eine unendlich hohe Temperatur vorherrscht. Dieser sogenannte Höllenzustand ist essentiell zum Beschreiben des Singularitätsproblems in dem der Raum komplett kollabieren kann. Das Singularitätsproblem ist ein Zustand am Anfang des Universums, bei dem das Universum scheinbar unendlich viel Masse und Energie besitzt. Ein heutiges Beispiel für eine Singularität ist ein schwarzes Loch^[13]

2.2.2 Probleme

Eines der vielen Probleme einer Theorie ist die sogenannte Erbsünde. Die Erbsünde bezeichnet in der Wissenschaft aber etwas vollkommen anderes als in der Bibel. Theorien stellen oft Grundvoraussetzungen welche noch nicht überprüft werden können. Stellt sich diese Grundvoraussetzung als falsch heraus, erbt die Theorie sozusagen diesen Irrtum und stellt sich selbst als falsch heraus. Dieses Problem hat auch die Schleifen-Quantengravitation da der Höllenzustand vorausgesetzt wird. Wenn sich dieser als falsch herausstellt, kann die ganze Theorie zum ‚Urprall‘ nicht stimmen.^[14]

2.2.3 Weiterführende Theorie

Jetzt tritt sicher die Frage auf, wieso ich statt Urknall Urprall verwendet habe. Die Antwort ist simpel, da die Schleifen-Quantengravitation nicht nur den Vorteil besitzt, dass eine Singularität vorausgesetzt wird, sondern ist es durch verschiedene Annahmen auch möglich zu sagen, dass es vor dem Urknall ein anderes Universum gab, welches sich zu seinem Ende hin zusammenzog. Zuerst wird angenommen, dass die Zeit selbst ein Gitter ist, welches zu bestimmten Zeitpunkten nur eine maximale Menge an Energie aufnehmen kann. Wird diese Menge überschritten, wird die überschüssige Energie wieder ausgestoßen. Der Urknall wäre ein Beispiel für solch einen Zeitpunkt. Die überschüssige Energie wird ausgestoßen und wandelt den Zusammenfall des vorherigen Universums in eine erneute Ausdehnung unseres Universums um. Dies wäre vergleichbar mit einen Luftballon der sich zusammenzieht, umstülpt und wieder ausdehnt. Durch diese Aussage kann man auch darauf schließen, dass unser Universum die räumlich gespiegelte Version des alten Universums ist bzw. vice versa.^[15]

2.3 Steady State Theorie

2.3.1 Beschreibung

Die Steady State Theorie wurde anfangs nur entwickelt um der Urknall Theorie Konkurrenz zu machen. Ein wichtiger Grund dafür war, dass der erste Entwickler der Urknall Theorie ein Pfarrer war. Alle Wissenschaftler sträubten sich dagegen, dass ein Pfarrer mit wahrscheinlich religiösem Hintergrund diese Theorie entwickelte in der das Universum scheinbar aus dem Nichts entstand (ähnlich wie in der Bibel). Laut dieser Theorie ist das Universum immer gleich. Es gibt weder ein Ende noch einen Anfang, was das Singularitätsproblem lösen würde. Jedoch wurde durch die Rotverschiebung bemerkt, dass sich das Universum ausdehnt. Damit dies im Rahmen der Theorie möglich ist, müsste damit das Gleichgewicht bewahrt bleibt, überall im Universum neue Materie entstehen. Die Probleme, woher die Materie käme und woher diese wisse wo sie auftreten müsse, wurden wie folgt erklärt^[16]:

„Materie trete in den Lücken in Erscheinung, weil sie dort Raum vorfinde, um ins Dasein zu treten. Und das geschehe überall, weil das Universum homogen (gleichmäßig zusammengesetzt) und isotrop (es sieht immer gleich aus) ist.“ ^[17]

2.3.2 Probleme

Quasare und Radiogalaxien wurden nur am Rand des Universums gefunden, was nicht mit der Aussage übereinstimmt, dass das Universum immer gleich ist. Quasare sind schwarze Löcher in der Mitte von Galaxien. Sie sind umgeben von leuchtender Materie. Beim Aufsaugen dieser Materie stößt es Teile davon, in sogenannten Jets, in genau eine Richtung aus. Radiogalaxien hingegen zeichnen sich durch ihre ungewöhnlich große Entfernung aus. Sie lassen sich fast nur durch Radiostrahlung messen.

[...]

^[1] Jaeger, L. (2015). Die Naturwissenschaften. Eine Biographie. Berlin: Springer-Verlag, S.295

^[2] Vgl. Ebd. S.295 und S.350

^[3] Vgl. Ebd. S.295

^[4] Vgl. Ebd. S.294f

^[5] Vgl. Jaeger, L. (2015). Die Naturwissenschaften. Eine Biographie. Berlin: Springer-Verlag, S.350f

^[6] Vgl. Hintergrundstrahlung. (2016, 8. Jänner). In Wikipedia. Zugriff am 16.1.2016. Verfügbar unter https://de.wikipedia.org/wiki/Hintergrundstrahlung

^[7] Vgl. Jaeger, L. (2015). Die Naturwissenschaften. Eine Biographie. Berlin: Springer-Verlag, S.350f

^[8] Vgl. Ebd. S. 409f u. S.355

^[9] Vgl. Müller, A. (2007). Astro Wissen. Zugriff am 10.10.2015. Verfügbar unter http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_u02.html

^[10] Müller, A. (2007). Astro Wissen. Zugriff am 10.10.2015. Verfügbar unter http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_u02.html

^[11] Vgl. Bojowald, M. (2010). Zurück vor den Urknall. Die ganze Geschichte des Universums. Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, S107ff

^[12] Bojowald, M. (2010). Zurück vor den Urknall. Die ganze Geschichte des Universums. Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, S107ff

^[13] Vgl. Bojowald, M. (2010). Zurück vor den Urknall. Die ganze Geschichte des Universums. Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag, S107ff

^[14] Vgl. Ebd. S.209

^[15] Vgl. Ebd. S.136ff

^[16] Vgl. Steady State Theorie. (n.d.). Zugriff am 7.12.2015. Verfügbar unter http://astronomie6c.jimdo.com/weltbilder-3/steady-state-theorie/

^[17] Ebd.