VL 13: Dunkle Materie, was ist das?

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1 VL 13: Dunkle Materie, was ist das?
We don’t know it, because we don’t see it! WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov, EGRET excess of diffuse Galactic Gamma Rays as Tracer of DM, astro-ph/ , A&A, 444 (2005) 51

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

3 Gravitationslinsen ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich
beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld

4 Gravitationslinsen

5 Gravitationslinsen

6 Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
Blau: dunkle Materie aus Gravitations- potential dunkel Rot: sichtbares Gas Observations with bullet cluster: Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter from weak gravitational lensing Distributions are clearly different after collision-> dark matter is weakly interacting!

7 Simulation der “Colliding Clusters”
August 22, 2006

8 Discovery of DM in 1933 Zwicky, Fritz (1898-1974
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski Zwicky notes in 1933 that outlying galaxies in Coma cluster moving much faster than mass calculated for the visible galaxies would indicate DM attracts galaxies with more force-> higher speed. But still bound!

9 Do we have Dark Matter in our Galaxy?
Rotationcurve Solarsystem rotation curve Milky Way 1/r

10 Estimate of DM density DM density falls off like 1/r2 for v=const.
Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup” (for 100 GeV WIMP)

11 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

12 Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr v1/r mv2/r=GmM/r2 Milchstraße Cygnus Perseus Orion Sagittarius Scutum Crux Norma Sun (8 kpc from center)

13 Virialsatz Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren Für N groß: und Erwarte also für ´Gas` gravitativ wechselwirkender Teilchen M  r ! Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve

14 Kandidaten der DM † † ? ? Problem: max. 4% der Gesamtenergie
des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN. Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen Kandidaten möglich. Rest der DM muss aus nicht-baryonischen Materie bestehen. Probleme: ν < 0.7% aus WMAP Daten kombiniert mit Dichtekorrelationen der Galaxien. Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel. WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven. In Supersymmetrie sind die WIMPS Supersymmetrische Partner der CMB d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

15 Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen  Bosonen
(Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen GeV !

16 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 Annihilationrate  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

17 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

18 Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY
 f Z W  0 ~ A Z Egret: WIMP GeV WMAP: <σv>= cm3/s Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV) 

19 Dunkle Materie, was ist das?
Was wissen wir über Dunkle Materie? massive Teilchen 23% der Energie des Universums schwache Wechselwirkung mit Materie Annihilation mit <σv>= cm3/s Annihilation in Quarkpaare -> Überschuss in galaktischen Gammastrahlen Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit) WIMP Masse GeV aus Spektrum Verteilung der Dunklen Materie Data konsistent mit Supersymmetrie From CMB + SN1a

20 Probleme die durch DM Annihilation gelöst werden
Rotationskurve Ringförmiger Struktur von Sternen bei 14 kpc von Wasserstoff bei 4 kpc Astronomie Astroteilchenphysik Kosmische Strahlung (Gammastrahlen) 23%DM, Hubble Annihilation Strukturformation Kosmologie Teilchenphysik Spektren der Gamma- strahlung für Untergrund und DMA Big Bang

21 man Untergrund? Woher erwartet
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

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

23 Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen
A: inner Galaxy C: outer Galaxy B: outer disc Total 2 for all regions :28/36  Prob.= 0.8 Excess above background > 10σ. D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles A: inner Galaxy (l=±300, |b|<50) B: Galactic plane avoiding A C: Outer Galaxy D: low latitude (10-200) E: intermediate lat. (20-600) F: Galactic poles (60-900)

24 Fits für 180 statt 6 Regionen
180 regions: 80 in longitude  45 bins 4 bins in latitude  00<|b|< <|b|<100 100<|b|<200 200<|b|<900  4x45=180 bins bulge disk sun

25 Verteilung der DM v2M/r=cons. and (M/r)/r2 1/r2 for const.
Outer Ring Inner Ring bulge totalDM 1/r2 halo disk Rotation Curve Normalize to solar velocity of 220 km/s x y z 2002,Newberg et al. Ibata et al, Crane et al. Yanny et al. 1/r2 profile and rings determined from inde-pendent directions xy xz Expected Profile Observed Profile xy xz v2M/r=cons. and (M/r)/r2 1/r2 for const. rotation curve Divergent for r=0? NFW1/r Isotherm const. Halo profile

26 Rotationskurve der Milchstrasse
Honma & Sofue (97) Schneider &Terzian (83) Brand & Blitz(93)

27 Wie sehen Rotationskurven anderer Galaxien aus?
Sofue & Honma

28 Woher kommen die Ringe der DM?
Einfall einer Zwerggalaxie in Gravitationspotential einer Galaxie: elliptischer Bahn präzessiert! Gezeitenkräfte  Gradient der Gravitationskraft  1/r3 ! Daher wird Zwerggalaxie seine Materie zum größten Teil am Perizentrum verlieren -> ringförmige Strukturen von Gas, Sternen und Dunkler Materie. Dies wurde tatsächlich beobachtet bei 14 kpc: 1)Wasserstoffring längst bekannt 2) Ring alter, kaum sichtbarer Sterne entdeckt mit Sloan Digital Sky Survey in 2003 (109 M!) 3) Verstärkte Gamma Strahlung bei 14 kpc schon in 1997, Dass dies Spektrum der DMA entspricht, erst jetzt! Apocenter Pericenter

29 The local group of galaxies

30 The Milky Way and its 13 satellite galaxies
Canis Major Tidal force  ΔFG  1/r3

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

32 Artistic view of Canis Major Dwarf just below Galactic disc

33 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)

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

35 N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
R=13 kpc,φ=-200,ε=0.8 Observed stars Canis Major (b=-150) prograde retrograde

36 Gas flaring in the Milky Way
no ring with ring P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, Gas flaring needs EGRET ring with mass of M☉!

37 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. Enhancement of inner (outer) ring over 1/r2 profile 6 (8). Mass in rings 0.3 (3)% of total DM

38 0 0 Direct Detection of WIMPs
WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoils Measure recoil energy spectrum in target 0 Spin dependent and indep. Spin independent  Number of nuclei2 (coherent scattering on all nuclei!) 0 Spin dependent

39 Direct Dark Matter Detection
CRESST ROSEBUD CUORICINO Phonons CDMS EDELWEISS CRESST II ROSEBUD ER HDMS GENIUS IGEX MAJORANA DRIFT (TPC) DAMA ZEPLIN I UKDM NaI LIBRA Ionization Scintillation XENON ZEPLIN II,III,IV Large spread of technologies: varies the systematic errors, important if positive signal! All techniques have equally aggressive projections for future performance But different methods for improving sensitivity L. Baudis, CAPP2003

40 Der Edelweiss Detektor
Messprinzip eines Halbleiter-Bolometers. Kommt es zu einem elastischen Stoß eines WIMP-Teilchens mit einem Atomkern des Germanium-Kristalls führt der Kern-Rückstoß zu einer Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird.

41 Schnelle (großflächige)
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS Schnelle (großflächige) Auslese von Phononen Si oder Ge Einkristall Array von Phasenübergangs- Thermometern

42 Kalibration Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer 252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve) entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder beschreiben die Bereiche, in denen 90% der Elektron- bzw. Kern-Rückstöße liegen.

43 Edelweiss Experiment

44 Schnelle (großflächige)
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS Schnelle (großflächige) Auslese von Phononen Si oder Ge Einkristall Array von Phasenübergangs- Thermometern

45 Annihilation cross sections in m0-m1/2 plane (μ > 0, A0=0)
Annihilation cross sections can be calculated,if masses are known (couplings as in SM). Assume not only gauge coupling Unification at GUT scale, but also mass unification, i.e. all Spin 0 (spin 1/2) particles have masses m0 (m1/2). For WMAP x-section of <v> cm3/s one needs For small LSP mass (m1/2 ≈ 175 GeV) large values of (m0 ≈ 1-2 Tev) (and large tan β ≈ 50) 10-24 t t bb EGRET WMAP  WW mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles

46 Cross sections for Direct DM detection

47 Cross sections for Direct DM detection
EGRET?

48 SUSY Mass Spectrum predicted for LHC

49 Cross sections for Direct DM detection
EGRET? Direct DM searches did not find signals, implying that the elastic scattering cross sections of neutralinos on nuclei must be below pb = cm2 These are still just above the neutralino cross sections predicted by SUSY in the EGRET scenario. So hopefully DM searches will see something soon and LHC hopefully discovers light gauginos and heavy squarks and sleptons (around TeV scale).

50 Annual Modulation as unique signature
Annual modulation:   v, so signal in June larger than in December due to motion of earth around sun (5-9% effect). June v0 galactic center Sun 230 km/s Dec. June Dec ±2% Background WIMP Signal L. Baudis, CAPP2003

51 DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73
Schael, EPS2003 DAMA NaI-1 to 4: 58k kg.day DAMA NaI-5 to 7: 50k kg.day Full substitution of electronics and DAQ in 2000 The data favor the presence of a modulated signal with the proper features at the 6.3 σ C.L. Running conditions stable at level < 1%

52 Zusammenfassung EGRET Überschuss kann: 1) Haloprofil bestimmen
2) damit äussere Rotationskurve erklären. (hier gibt es kaum baryonische Materie) 3) WIMP Masse bestimmen ( GeV) 4) Statistische Signifikanz > 10 σ! Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten-> EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie! Resultat praktisch modellunabhängig, denn nur bekannte spektrale Formen des Signals und Untergrundes benutzt, keine modellabhängige Flussberechnungen! Modelle OHNE DM können nicht Spektren in ALLEN Richtungen gut bestimmen und liefern keine Erklärung für Rotationskurve und Stabilität der Ringe bei 4 und 14 kpc.

53 DM wäre der SUSY Partner der CMB
Zukunft Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit SUPERSYMMETRIE? Antwort: Ja, wenn die Squarks and Sleptonen im Bereich 1-2 TeV liegen. Der WIMP hat dann Eigenschaften ähnlich eines Spin ½ Photons, d.h. DM wäre der SUSY Partner der CMB LHC Experimente werden ab 2008 klären ob dies stimmt.

54 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.

55 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).

56 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

57 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

58 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).

59 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.

60 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?