Nachweismethoden der DM

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1 Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

2 What is known about Dark Matter?
95% of the energy of the Universe is non-baryonic 23% in the form of Cold Dark Matter Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo-> DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s Annihilation with <σv>= cm3/s, if thermal relic From CMB + SN1a + surveys If it is not dark It does not matter DM halo profile of galaxy cluster from weak lensing

3 Thermische Geschichte der WIMPS
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate  Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr)  H(xfr) !) Thermal equilibrium abundance Actual abundance Comoving number density WMAP -> h2=0.113 > <v>= cm3/s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an. Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas! T=M/22 Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt. x=m/T

4 ~ ~  e How do particles annihilate? e+ q e- LEP collider:
e+e- annihilation photon annihilation ~  e ~ e+ e- q In CM: Eq=Ee monoenergetic quarks from monoenergetic leptons Quarks fragment into jets, mostly light mesons:π+,π-,π0 π0 decays 100% in 2 photons So as many photons as charged particles from annihilation On average: 37 photons pro annihilation into quarks at LEP Spectral shape VERY WELL MEASURED

5 DM Annihilation in Supersymmetrie
 f Z W  0 ~ A ≈37 gammas Dominant  +   A  b bbar quark pair B-Fragmentation bekannt! Daher Spektren der Positronen, Gammas und Antiprotonen bekannt! Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik

6 Indirect Dark Matter Searches
Annihilation products from dark matter annihilation: Gamma rays (EGRET, FERMI) Positrons (PAMELA) Antiprotons (PAMELA) e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA) Neutrinos (Icecube, no results yet) e-, p drown in cosmic rays?

7 PAMELA Positron excess
Pamela, arXiv: v1

8 Origin? Depends on whom you ask! My assumption:
|Data>= ap->0 |Background> + aDMA |DMA> + asec |SNR> + alocal |SNR(x)> + apulsar |Pulsar> Unitarity must be fulfilled. However, each component has enough uncertainty to saturate observations For details: WdB, AIP Conf.Proc.1200: , arXiv:  [astro-ph.CO]

9 AMS: large magn. spectrometer with redundant particle ID

10 AMS to be installed on ISS
Schedule: Transport with ST-134 Space Shuttle Flight in April 2011 Testflight 1998

11 Loading the 7.5 tons at Geneva airport
AMS-02 from CERN to Cape Canaveral on Loading the 7.5 tons at Geneva airport

12 Antiprotons: saturated by background?
GALPROP Antiprotons Donata et al. [ ]  Pamela Gebauer and WdB,arXiv: GALPROP (with and without) convection has deficit of antiprotons. Darksusy and others (which only look into charged particles, no gamma rays) can saturate data.

13 Propagation of charged cosmic rays (CR)
This does not allow for significant convection, since CR‘s do not return to disc-> too little secondary production from CR hitting gas in disc HOWEVER, significant convection observed by ROSAT CRs propagation can be described by diffusion and convection, very much like a drop of ink inside streaming water (with water velocity=convection velocity) Radiaactive clocks like 10Be determine time from source to Sun (107 yrs) Need slow diffusion in disc, but particles in halo drift to outer space with convection Present models use isotropic propagation, i.e. same diffusion constant in halo and disc. With convection little flux of charged particles from DMA, since particles drift away.

14 Present models: isotropic propagation
Isotropic propagation leads to “propagation enhancement”: of charged particles: trapping of charged particles in “leaky” Galaxy for a long time-> Flux of gamma rays from DMA  Flux of antiprotons in such propagation models, Although we KNOW from LEP that fragmentation gives many more photons than antiprotons Zuerst gamma rays Is this right? CONVECTION = negligible with isotropic propagation in contrast to observation Not nessarily!

15 which plagues charged particles. Astrophysical point sources can be
Diffuse gamma rays Great advantage of pointing to the source and propagation is „straightforward“ without dependence on magnetic field and diffusion, which plagues charged particles. Astrophysical point sources can be pinpointed and subtracted.

16 Basic principle for indirect dark matter searches
From rotation curve: Forces: mv2/r=GmM/r2 or M/r=const.for v=cons. and (M/r)/r2 1/r2 for flat rotation curve Expect highest DM density IN CENTRE OF GALAXY R Sun bulge disc R1 Sun disc R IF FLUX AND SHAPE MEASURED IN ONE DIRECTION, THEN FLUX AND SHAPE FIXED IN ALL (=120) SKY DIRECTIONS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! THIS IS AN INCREDIBLE CONSTRAINT, LIKE SAYING I VERIFY THE EXCESS AND WIMP MASS WITH 180 INDEPENDENT MEAS.

17 Alternative to data driven analysis:
Data driven analysis of gamma ray data (publicly available from NASA archive) Idea: Fit known shapes of 3 main components: Inverse Compton:(IC)  CR electron density x ISRF Bremstrahlung:(BR)  CR electron density x gas density PCRPGas scattering:(0)  CR proton density x gas density Main unknowns: CR electron density CR proton density (both measured locally, i.e. at a single point in Galaxy) Alternative to data driven analysis: compare data with Galactic Propagation Model Best publicly available model: GALPROP (Moskalenko,Strong…)

18 Background mainly in disk

19 Usual astrophysicist’s search strategies
Particle physicist: get rid of model dependence by DATA DRIVEN calibration

20 diffDM clumpclump Boostfactor by DM clumping
An artist picture of what we should see if our eyes were sensitive to 3 GeV gamma rays: clumps of DM in diffuse DM halo (from hierarchical growth of galaxy combined with tidal disruption of clumps clumpclump

21 How to calculate DMA flux?

22 Woher erwartet man Untergrund?
Quarks from WIMPS in protons Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X ->  + X inverse Compton scattering (e-+  -> e- + ) Bremsstrahlung (e- + N -> e- +  + N) Shape of background KNOWN if Cosmic Ray spectra of p and e- known

23 EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope
EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope.) Data publicly available from NASA archive EGRET excess Hunter et al. 1997 Instrumental parameters: Energy range: GeV Energy resolution: ~20% Effective area: 1500 cm2 Angular resol.: <0.50 Data taking: Main results: Catalogue of point sources Excess in diffuse gamma rays

24 Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten
W. de Boer et al., 2005

25 FERMI measures GeV gamma rays + electrons


26 FERMI diffuse spectra from Galactic centre
without DMA with DMA DMA 60 GeV neutralino Isotropic 0+IC+BR

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28 What is DM haloprofile? Given DM contribution in 120 directions, can one determine haloprofile? Procedure: i) assume haloprofile ii)normalize to rotation curve iii) calculate l.o.s. of gamma rays in 960 directions iv) find optimum haloprofile parameters by minimum 2 Result: 1) NFW haloprofile for diffuse DM (>90% of mass) and signal  2 + 2) clumpy halo profile with Einasto profile (5% of mass and signal   + 3) two doughnut-like ring structures with few % of mass

29 = FERMI provides DM contribution in all directions-> HALO PROFILE
NFW (diffuse)+ Einasto (clumps) (expected from N-body simulations) inner ring outer unexpected Motivation for “outer ring”: Monocerus ring of stars (SDSS, 2002), discussed as tidal disruption of Canis Major dwarf AND gas flaring Motivation for “inner ring”: dust ring

30 Rotation curve Milky Way
Weber, dB, arXiv: VLBI point Weber, Thesis, KIT NFW or others Oort limit on local density prevents larger DM contr. (Hipparcos data)

31 VERA: VLBI Exploration of Radio Astrometry
Japan VLBI = Very Large Baseline Interferometry allows very precise parallax measurements. Maser light from Molecular Clouds allows large distance interferometry Measured parallax of 1896as at distance of >5 kpc over 1 yr-> rotation velocity A. Honma et al, PASJ 2007, Astrometry of Galactic Star-Forming Region Sharpless 269 with VERA:Parallax Measurements and Constraint on Outer Rotation Curve at 13 kpc

32 Inner Ring coincides with ring of dust and H2 ->
gravitational potential well! H2 4 kpc coincides with ring of neutral hydrogen molecules! H+H->H2 in presence of dust-> grav. potential well at 4-5 kpc. Dust ring at 4 kpc

33 The Milky Way and its satellite galaxies
Canis Major Tidal force  ΔFG  1/r3

34 Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
Sun CM Sgt From David Law, Caltech

35 Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations
to fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible), dark matter (1010 M☉, EGRET)

36 Core of Canis Major Dwarf just below Galactic disc

37 Tidal disruption of Sagittarius
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )

38 N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
prograde retrograde Observed stars R=13 kpc Canis Major (b=-150)

39 Gas flaring in the Milky Way
no ring with outer ring P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, arXiv: Mass in ring few % of total Gas flaring needs also outer ring with mass of M☉!

40 Summary Fermi data show excess of diffuse Galactic gamma rays w.r.t GALPROP (see also DM claim using Fermi data by Goodenough and Hooper, arX ) Excess compatible with DMA (using data driven spectral shape fits instead of relying on GALPROP (but systematic errors in FERMI data?). DMA interpretation compatible with rotation curve (RC) if doughnut-like DM structures used in disc, as required independently by new data on rotation curve and gas flaring. Conclusion saying no excess in antiprotons is model dependent. GALPROP still allows up to 50% of antiprotons from DMA HOWEVER, FERMI DATA PREL. WAIT FOR NEXT REPROCESSING WITH BETTER BG REJECTION FOR ANY CONCLUSION

41 Clustering of DM Diemand et al., Nature 2005, astro-ph/ : The earth passes through a dark matter mini-halo every 10,000 years, an encounter which lasts for about 50 years, therefore most of the time the earth is within an UNDERDENSE region of dark matter. Consequently the averaged DM density on a large scale (from the rotation curve) has very little to do with the LOCAL DM density! An artist picture of what we should see if our eyes were sensitive to 3 GeV gamma rays and we are flying with 220 km/s (=speed of sun) through the DM halo

42 Zusammenfassung Es gibt interessante Hinweise für Teilchencharakter
der DM: Überschuss an Gammastrahlung von EGRET gemessen (aber FERMI misst weniger und Konsistenz mit Antiprotonenfluss steht nach aus, abhängig vom Propagationsmodell) b) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten) Überschüsse in Positronen (PAMELA Satellit) (aber Pulsare oder andere Quellen bieten gute Lösung)

43 DM wäre der SUSY Partner der CMB
Zukunft Sind Beobachtungen konsistent mit SUPERSYMMETRIE? Antwort: Wenn ja,dann hat WIMP Eigenschaften vermutlich ähnlich einem Spin ½ Photons, d.h. DM wäre der SUSY Partner der CMB LHC Experimente werden ab 2011 klären ob dies stimmt.

44 Fragen „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde. Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t = yr (Rekombination) mit T ≈ K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt. Allerdings dauerte es dann ≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-Messungen) mν < 0.23 eV. Da Elektronneutrinos vermutlich die geringste Neutrinomasse besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der Elektronneutrinos bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der WMAP-Daten korrekt ist, wäre damit KATRIN überflüssig, oder? A: eine unabhängige Bestätigung, dass die Neutrinomassen tatsächlich so klein sind, ist immer gut.

45 Fragen Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMB-Polarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse? A: Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch eine Polarization entsteht. 4. Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis auf wenige durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber warum ist die Asymmetrie identisch?) A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachsten GUT's vorhergesagt).

46 5. Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m ≈ 10 μg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls entstanden (Umwandlung „falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen sein, d.h. bereits zur Zeit der Quantenfluktuationen dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind heute in der CMB nachweisbar. Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab. Aber dann: Woher kommt diese Masse? A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung entstand, z.B. die Brechung einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten, aber gleichzeitig durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die freiwerdende Energie in Masse umwandeln. D.h. vor der Inflation war noch keine Masse vorhanden und Gesamtenergie null. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass Urknall in einem SL stattfand (siehe nächste Folie). Fragen

47 Größe und Dichte eines schwarzen Loches.
Radius eines SL: R = 2GM/c2, d.h. wächst mit Masse! Masse unseres Universums, die kritische Dichte von g/cm3 (1023 M☼) entspricht, liegt auf diese Linie, d.h. es ist nicht ausgeschlossen, dass wir in einem SL leben. J. Luminet

48 Fragen 6. Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere (verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht geben kann.) A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher praktisch schwierig. 7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der Photonen aus der LSS skaliert mit 1/S (λS) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen, müsste deren gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dann kinetische Energie verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem Raum übertragen (Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen der Neutrinoenergie eine „Frequenz“ zuordnen, die S abnimmt? A: relativistische Materie geht mit 1/S4, nicht relativistische mit 1/S3. Daher werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S4 skalieren /wie Photonen) und bei Temp. T<mν als 1/S3 (wie Teilchen).

49 Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)
Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen? Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert. Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums null und Vakuumenergie könnte zur Inflation führen Schwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitation noch nicht existiert. Wie entstand Leben? 1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dass Leben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies unmöglich ist. Wurde akzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohlenstoff gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlich später entstanden durch Algen im Ozean, wo sie für UV Licht geschützt waren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalb der Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in so einer Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DNA entstehen können und damit dass die Bausteine des Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.

50 Typische Prüfungsfragen
Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie? Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ? Wie lauten Friedmansche Gleichungen? Woraus besteht die Energie des Universums? Wie weiss man das? Wie unterscheidet sich Dunkle Energie von Dunkler Materie? Wie kann man DM nachweisen? Warum akustische Peaks in der CMB? Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?