THEMA: Anteil der Neutrinos an der Energiedichte des Universums

Die beiden Reaktionen der schwachen Wechselwirkung - Elektroneneinfang und Beta-Zerfall - erzeugen ja je ein Neutrino bzw. Antineutrino.

Nun haben Neutrinos eine nicht genau bekannte Ruhemasse. Sie oszillieren. Es ist nicht geklärt, ob sie scharf von ihren jeweiligen Antiteilchen abgegrenzt sind oder ob zwei Neutrinos miteinander zerstrahlen können.

Woher kommt angesichts all dieser Unsicherheiten die Erkenntnis, dass der Anteil der Neutrinos an der Gesamtmasse im Universum maximal 3 (oder 5 oder 6)% der gesamten Energiedichte im Universum ausmacht?

Wie genau ist diese Zahl bestimmt?

Als Fermi-Problem oder Fermi-Frage bezeichnet man eine quantitative Abschätzung für ein Problem, zu dem zunächst praktisch keine Daten verfügbar sind. Es ist benannt nach dem Kernphysiker Enrico Fermi, der dafür bekannt war, trotz mangelnder Informationen spontan gute Abschätzungen liefern zu können – beispielsweise warf er beim ersten Atombombentest (Trinity-Test) Papierschnipsel in die Luft und beobachtete, wie weit diese durch die Druckwelle weggeblasen wurden; daraus konnte er direkt vor Ort die ungefähre Sprengkraft der Bombe abschätzen, lange bevor die Sensormessungen ausgewertet waren.

de.wikipedia.org/wiki/Fermi-Problem

Dass der Neutrino-Anteil an der Energiedichte klein ist, ergibt sich aus den beiden Reaktionen der schwachen Wechselwirkung - Elektroneneinfang und Beta-Zerfall. Man betrachte, wie gering der Anteil des Masseverlusts bei der entsprechenden Reaktion ist - und dieser Masseverlust ist die Obergrenze für die Energie des Neutrinos.

Ich meinte eigentlich den Anteil der Gesamtmasse aller Neutrinos an der Masse im Universum.

Die einzelnen Neutrinos mögen leicht sein, aber wenn es echt viele sind und sie sich mit der Wechselwirkung mit anderen Teilchen so schwer tun, dann wäre es doch denkbar, dass sich im Laufe der Jahrmilliarden ein immer größer werdender Anteil dunkler Materie im Halo der Galaxien aus Neutrinos zusammensetzt.

Und da sie eine Ruhemasse besitzen, verhalten sie sich in Gravitationsfeldern ja auch nicht wie masselose Teilchen. Ihre Verteilung in den Halos wäre ganz anders als in sämtlichen Modellrechnungen im Rahmen des Standardmodells angenommen. Ihre Rolle bei der Sternentstehung, bei der Ausbildung und Enticklung galaktischer Zentren dürfte ganz anders sein als in den bisherigen Modellen angenommen.

Oder wie seht ihr das?

Kennt einer von euch Quellen, in denen Neutrinos mit Ruhemasse bei der Masseverteilung in Galaxien berücksichtigt werden?
Wie wird da der Energieverlust durch Neutrinos im Verlauf der Sternentwicklung über die Zeit angesetzt? Wie wird die Erzeugungs- und Annihilationsrate angesetzt?

Wenn es außer den beiden Zerfällen keine weitere Neutrinoquelle gibt, dann ist jedes Neutrino aus so einem Zerfall entstanden. Das heißt, für jedes existierende Neutrino muss es einen existierenden Atomkern geben, dessen Masse deutlich größer ist als die des Neutrinos.

Anreichern ist in dem Fall kein Argument, da die Masse/Energie der übrigen Zerfallsprodukte (Atomkerne) ja stets ebenfalls vorhanden ist.

Hierfür spielt es übrigens keine Rolle, ob Neutrinos eine Ruhemasse haben und wie hoch sie ist. Der Energieerhaltungssatz gilt unabhängig davon, ob es sich um Ruhemasse oder um kinetische Energie handelt. Im Falle der Neutrinos und ihren hochrelativistischen Geschwindigkeiten wird in jedem Fall die kinetische Energie die Ruhemasse dominieren.

> Das heißt, für jedes existierende Neutrino muss es einen existierenden Atomkern geben,

Du scheinst von einer Erhaltung der B-L-Differenz auszugehen.

Falls Neutrinos aber Majorana-Fermionen sind (das habe ich im Eingangsposting ja als Grundannahme angeführt), dann gäbe es keine solche Erhaltungsgröße.

Im frühen Universum können dann haufenweise Neutrinos entstanden sein. Auch heute entstehen ja Antineutrinos beim Neutronenzerfall und Neutrinos beim Elektroneneinfang und Beta-Plus-Zerfall. Außerdem können Neutrino/Antineutrino-Paare beim Zerfall eines Z-Bosons entstehen. Wenn Neutrinos also Majorana-Eigenschaften haben, dann verändert sich zumindest dabei die Leptonenzahl. Da die kleinen Racker nach ihrer Erzeugung beginnen zu oszillieren, und sie überdies auch elektrisch neutral sind, tun sie sich natürlich auch schwer damit einen Partner zu finden, mit dem sie wieder annihilieren können, Zumindest deutlich länger als z.B. Elektronen und Positronen. Also existieren sie länger. Also reichern sie sich an.

Darum mag ich deiner Gegenrede für den Moment mal noch nicht folgen und bleibe bei meiner Vermutung, dass Neutrinos die mysteriöse dunkle Materie sein könnten.

Dann zu deiner Aussage bzgl. der Dominanz der kinetischen Energie - da habe ich so meine Zweifel. Neutrinos, die vor 12 Mrd. Jahren oder gar noch früher - etwa zur Zeit der Symmetriebrechung der elektroschwachen Kraft - als hochrelativistische Teilchen entstanden sind, sind von der Expansion des Universums genauso betroffen wie beispielsweise die Hintergrundstrahlung oder das Licht ferner Galaxien. Sie wären heute also nicht mehr hochrelativistisch. Außerdem können sie ja auch durch Stöße abgebremst werden.

Allerdings stand für mich die Frage, ob die Energie als kinetische Energie oder Ruhemasse transportiert wird, auch gar nie im Vordergrund. Das Problem ist vielmehr, dass hochrelativistische Neutrinos zunächst einen so hohen Impuls haben, dass sie gravitativ nicht an eine Galaxie gebunden werden können. Dafür müssen sie erst langsamer werden. Wenn das im frühen Universum noch nicht der Fall war, es jetzt aber eine steigende Zahl gravitativ gebundener Neutrinos gibt, würde das doch die astronomischen Beobachtungen über die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxien erklären. Oder irre ich mich?

Bei meiner Antwort hatte ich nur an stellare Neutrinos gedacht. Die Möglichkeit, dass kurz nach dem Urknall eine "irrwitzig große" Menge an Neutrinos entstanden sein könnten, hatte ich nicht einbezogen.

Es gibt aber denke ich ein Argument, das gegen die "Neutrino-Hypothese" spricht. Betrachtet man die Daten bei der Entkopplung der Hintergrundstrahlung (frühes Universum) und heute, dann sagen die Daten, dass das Verhältnis der Energien zwischen Dunkler und sichtbarer Materie gleich geblieben ist.

Was würde das bedeuten? Sichtbare Materie ist seitdem denke ich nicht mehr groß entstanden oder vergangen. Damit müsste die Energie der sichtbaren Materie in etwa gleich geblieben sein.

Seit der Entkopplung denke ich ist der dominante Prozess der Neutrinoentstehung die Schwache Wechselwirkung bei radioaktiven Zerfällen - und diese kann anteilig nicht so viele Neutrinos hervorgerufen haben (siehe mein Argument oben). Auf der anderen Seite müssten die "alten" Neutrinos analog zur Hintergrundstrahlung viel kinetische Energie verloren haben, so dass die Energie der Neutrinos kleiner geworden sein müsste.

Übersehe ich hierbei auch etwas?

> dann sagen die Daten, dass das Verhältnis der Energien zwischen Dunkler und sichtbarer Materie gleich geblieben ist.
Genau darauf will ich hinaus: Welche Daten sagen das denn?

Und von welchen Annahmen sind die Autoren ausgegangen, die Daten ausgewertet haben?

Ich habe die Daten aus: de.wikipedia.org/wiki/Planck-Weltraumteleskop .

Naja, ok.

Die glauben dort ja auch noch an die mysteriöse dunkle Energie.

Aus www.esa.int/Our_Activities/Space_Science..._structure_formation :

Astronomers also refer to hot dark matter, or neutrinos – particles with a very small mass and no electric charge that travel nearly at the speed of light. In the first second of the Universe, neutrinos were coupled to the photons, but these two types of particles decoupled immediately after. Since they do not interact with light during most of the Universe's history, neutrinos can be considered as a type of dark matter, and since their velocity is close to the speed of light, they are regarded as hot dark matter. Fluctuations in the distribution of hot dark matter can grow denser and more massive, but due to their high velocity, these particles tend to dissipate and their fluctuations are damped on small scales so, effectively, only fluctuations on intermediate and large scales can grow.

Der Artikel enthält noch einige weitere interessante Hinweise auf das Thema kalte DM vs. heiße DM, aber eine wirklich stichhaltige Erklärung dafür, warum es neben Neutrinos noch schwerere DM-Teilchen geben muss, habe ich auch dort nicht gefunden.

Guten Morgen!

Reisender schrieb: Naja, ok.

Die glauben dort ja auch noch an die mysteriöse dunkle Energie.

Das Omega-1-Universum ist breite Folklore. Hast du da bessere Ideen als dunkle Energie und Materie?

Nun ja, Ideen gibt es genug.
Sie müssen halt nur ins mathematische Gefüge passen.

Die dunkle Energie braucht man ja als Ausgleichsterm, um die Beschleunigung der kosmologischen Expansion zu erklären. Aber du weißt sicher selbst, dass die gemessenen Fluchtgeschwindigkeiten erheblich streuen.

Ich habe mir die Diagramme mal angesehen, aus denen auf eine beschleunigte Expansion geschlossen wird, und ich bin von deren Interpretation nicht restlos überzeugt. Die Datenlage ist dünn. Die Abweichung von der linearen Expansion zeigt sich erst bei sehr großen z, und ist prozentual sehr gering. Da finde ich es schon gewagt, einfach eine Parabel zu fitten und zu sagen, das ist es jetzt. Das können ebensogut statistische Abweichungen sein, ein observation bias, Einflüsse aus einer Region außerhalb des beobachtbaren Teils des Universums, oder eben ein Fehler in der Theorie (bzw. ihrer Anwendung), der sich erst auf sehr großen Skalen bemerkbar macht.

Den Fehler würde ich am ehesten in der Anwendung der ART vermuten. Denn die hat nunmal die grundsätzliche Schwäche, dass sie eine kontinuierliche Theorie ist, und somit mit der Quantenmechanik inkompatibel. Oder, dass sie von falschen Voraussetzungen ausgeht. Hätten Gravitonen bspw. eine Ruhemasse (und somit die Gravitation nur eine begrenzte Reichweite), würde das einiges erklären, darunter die beschleunigte Expansion und die Charakteristik der Galaxienrotation früher und heute.

Leider ist das nur sehr schwer nachzuprüfen, denn die experimentelle Ermittlung der Ruhemasse bei Neutrinos im einstelligen eV-Berich gestaltet sich ja schon schwierig, was für die Ermittlung der Ruhemasse von Teilchen, die nochmal um 30 Großenordnungen leichter sind, nichts Gutes bedeutet.

Andererseits habe ich auch so meine Zweifel, wie weit sich die Gesetze der ART bis an die Grenzen einer Singularität hin anwenden lassen. Ich könnte mir z.B. vorstellen, dass die Annahmen, die ich eben getroffen habe, um die Entropie im schwarzen Loch herzuleiten, unzutreffend sind. Dass es gar keine Orte im Universum gibt, an denen die Raumzeit komplett verschwindet, sondern, dass das nur den asymptotischen Grenzfall darstellt, der im statistischen Mittel eine gute Näherung für die Berechnung von schwarzen Löchern abgibt. Aber dass in der Realität Raumzeitquanten in verschwindend geringen Mengen eben doch in schwarze Löchern tunneln könnten. Bzw. Quanten aus dem schwarzen Loch nach draußen tunneln.

Klar, Ideen gibt es viele.
Und sich Gedanken zu machen, ist bestimmt nicht der falsche Weg.

Die dunkle Energie braucht man ja als Ausgleichsterm, um die Beschleunigung der kosmologischen Expansion zu erklären. Aber du weißt sicher selbst, dass die gemessenen Fluchtgeschwindigkeiten erheblich streuen.

Lambda als Darsteller von Kosmosexpansion in Form von Nullpunkts- oder Vakuumenergie oder auch Quintessenz-Modellen steht in den Friedmann-Gleichungen rechtsseitig beim Energie-Impuls.
So hält das Little Lambda die Raumzeit flach und treibt gleichzeitig ihre Ausdehnung voran und so muss man dann auch tatsächlich auf die Suche nach dieser Dunklen Energie gehen.
Ohnehin besteht die Friedmann-Kosmologie aus energieartigen Termen. Man braucht zwangsläufig in der Systematik einer Gravitationstheorie sowas wie dunkle Energie.
Für Dunkle Materie hingegen gibt es drei gute Evidenzen:

- Die Umlaufgeschwindigkeit in den Außenbezirken von nahen Spiralgalaxien, die mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen sollten, dies aber nicht tun
- Gravitationslinseneffekte
- Und aus aus der Theorie die Silk-Dämpfung

Insgesamt hat das ausgetüftelte kosmologische Standardmodell so seine Zwänge und erklärt vieles gut. Wenngleich 95% dunkle Bestandteile des Universums nicht besonders gut erträglich sind.
Hier mal eine Übersicht auf 50 Seiten:
arxiv.org/pdf/0906.5036.pdf

Beste Grüße

Ja cool! Vielen Dank für die Leseempfehlung. 50 Seiten, das ist erstmal genug für so einen Sonntagnachmittag.

Lass uns gerne noch kurz die von dir vorgebrachten Evidenzen diskutieren:

> Die Umlaufgeschwindigkeit in den Außenbezirken von nahen Spiralgalaxien, die mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen sollten, dies aber nicht tun
Neuere Beobachtungen haben ergeben, dass Galaxien im frühen Universum nicht dieser Verteilung folgen. Jemand hier im Forum brachte kürzlich die Hypothese auf (Link auf arxiv wird nachgereicht), dass man mit einer beschränkten Reichweite der Gravitation das Phänomen vollständig erklären würde.

- Gravitationslinseneffekte
Bestätigen die ART. Ich sehe aber nicht, wieso man dafür eine Menge an dunkler Materie zwingend benötigt, dass es außer stellaren + primordialen Neutrinos noch einer weiteren Teilchenart bedarf.

- Und aus aus der Theorie den Sachs-Wolf-Effekt
Ich nehme an, du meinst den integrierten Sachs-Wolfe-Effekt, richtig? Das würde sich auf dieselbe Weise erklären lassen wie das Rotationsproblem.

Die Idee einer begrenzten Reichweite der Gravitation finde ich ja ganz charmant. Was hältst du davon? Ergeben sich daraus ernsthafte Widersprüche zum kosmologischen Standardmodell bzw. zu den Beobachtungen?

Reisender schrieb: Ja cool! Vielen Dank für die Leseempfehlung. 50 Seiten, das ist erstmal genug für so einen Sonntagnachmittag.

Lass uns gerne noch kurz die von dir vorgebrachten Evidenzen diskutieren:

> Die Umlaufgeschwindigkeit in den Außenbezirken von nahen Spiralgalaxien, die mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnehmen sollten, dies aber nicht tun
Neuere Beobachtungen haben ergeben, dass Galaxien im frühen Universum nicht dieser Verteilung folgen. Jemand hier im Forum brachte kürzlich die Hypothese auf (Link auf arxiv wird nachgereicht), dass man mit einer beschränkten Reichweite der Gravitation das Phänomen vollständig erklären würde.

Ich weiß nicht worum es dabei geht. Mir sind TeVeS und MoND bekannt. Allgemein wird ja mehr Gravitation benötigt, als die entsprechenden Galaxien mit sichtbarer Materie hergeben.
Die Geschichte mit der Verteilung der Dunklen Materie in jungen Galaxien ist mir bekannt und natürlich mysteriös.

- Gravitationslinseneffekte
Bestätigen die ART. Ich sehe aber nicht, wieso man dafür eine Menge an dunkler Materie zwingend benötigt, dass es außer stellaren + primordialen Neutrinos noch einer weiteren Teilchenart bedarf.

Ich kann keine besseren Argumente dafür geben, dass es sich bei Neutrinos nicht um dunkle Materie handelt als die, die ClausS schon hier losgeworden ist.

- Und aus aus der Theorie den Sachs-Wolf-Effekt
Ich nehme an, du meinst den integrierten Sachs-Wolfe-Effekt, richtig? Das würde sich auf dieselbe Weise erklären lassen wie das Rotationsproblem.

Pardon! Es geht um Silk-Dämpfung. Mein Fehler. Habe ich oben korrigiert.

Die Idee einer begrenzten Reichweite der Gravitation finde ich ja ganz charmant. Was hältst du davon? Ergeben sich daraus ernsthafte Widersprüche zum kosmologischen Standardmodell bzw. zu den Beobachtungen?

Ich hab ein Posting von Thomas dazu in Erinnerung, auf das ClausS eine gute Antwort gegeben hat, weshalb ich es komplett zitiere.

ClausS schrieb:

Thomas schrieb: Unser Gummituch. Wenn wir eine Eisenkugel hineinlegen, dann bekommen wir im Schwerefeld einen Trichter. Wenn wir das Gummituch jetzt strecken, dann hebt sich die Eisenkugel nach oben. Warum, weil die Moleküle des Gummituchs sich strecken und eine Kraft resultiert, die die Kugel nach oben drücken, gegen die Schwerkraftrichtung.
Übertragen wir das Grdankenexperiment auf die Raumzeit.
Wir legen einen Stern in die Raumzeit. Er verformt diese, indem er die Geometrie derselben in 3 Dimensionen verformt, also auf sich und sein Zentrum hin trichterförmig krümmt.
Jetzt dehnen wir dir Raumzeit in alle drei Raumrichtungen.
Und jetzt die Frage: wird sich der Trichter verflachen, ähnlich wie beim Gummituch, oder wird er seine Potentialtiefe beibehalten.
Wenn er sie nicht beibehält, also angehoben wird, dann hat die Ww zwischen M und DE einen anderen Charakter als wenn er sie, also seine Potentialtiefe, beibehält.

Den Gedanken finde ich spannend. An diese Möglichkeit hatte ich noch nicht gedacht. Das würde ja bedeuten, dass eventuell im frühen Universum, als die beschleunigte Raumausdehnung noch nicht eingesetzt hat, die Gravitationswechselwirkung stärker war als heute. Dann wäre die Gravitationskonstante keine Konstante in dem Sinn.

Das hätte aber dann gravierende Auswirkungen, beispielsweise:
- Der ganze Prozess der Galaxienentstehung müsste mit anderen Werten von G neu simuliert werden.
- Frühe Sternen müssten aufgrund der stärkeren Gravitationswechselwirkung schneller Kernfusion betrieben haben als die Sterne heute.
- Supernovae vom Typ 1A würden nicht mehr als Standardkerzen taugen, da sie sich bei anderen Werten von G anders verhalten würden (Einsetzen der Explosion bei geringerer Masse)

Dies wiederum würde sogar bedeuten, dass man die Erkenntnis eines beschleunigten Universums wieder neu auf den Prüfstand stellen müsste.

Solche gravierenden Effekte, insbesondere beim Verhalten der Sterne hätte man denke ich schon längst beobachten müssen. Die Möglichkeit, dass keiner der an diesen Forschungen beteiligten Physikern an diese Fragestellung gedacht hat, möchte ich ausschließen.

Daher denke ich, dass die Potentialtiefe sich nicht oder nicht nennenswert geändert hat.

Meintest du das?

Hi,

Neben TeVeS und MOND gibt es ja noch einige andere Theorien, in denen das Graviton nicht masselos ist: en.wikipedia.org/wiki/Massive_gravity

Die Theorien haben natürlich alle so ihre Probleme, darunter nicht zuletzt occam's razor.

Und dieses Paper hier schätzt ja die Gravitonmasse nochmal 10 Größenordnungen niedriger als LIGO.

Aber nachdem ich mich ein bisschen tiefer eingelesen habe, glaube ich nicht, dass es sich lohnt, sich an der Gravitationstheorie groß abzuarbeiten. Die ist schon ok. Nur das Standardmodell der Kosmologie gefällt mir halt nicht. Die Gründe haben wir ja erörtert und sind uns glaube ich auch einig, was die Unzulänglichkeiten betrifft.

Naja. Ich lese mal weiter!

Bis die Tage (oder Nächte).

Reisender schrieb: > Das heißt, für jedes existierende Neutrino muss es einen existierenden Atomkern geben,

Du scheinst von einer Erhaltung der B-L-Differenz auszugehen.

Falls Neutrinos aber Majorana-Fermionen sind (das habe ich im Eingangsposting ja als Grundannahme angeführt), dann gäbe es keine solche Erhaltungsgröße.

www.urknall-weltall-leben.de/news/item/3...lnatur-des-neutrinos

nach dem lessen denke ich sollte man weiter darüber diskutieren . weil der rotationskurvenvergleich von galaxien sagt ja aus das heute mehr hm neutrinos ? in der galaxie sind .