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Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth.

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1 Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, Von Daniel Beuth

2 Gliederung 1 Dunkle Materie 1.1 Heiße DM 1.1 Heiße DM 1.2 Kalte DM 1.2 Kalte DM 2 Weakly Interacting Massive Particles 3 Supersymmetrie 4 Suche nach der DM, LSP 4.1 R-Parität 4.1 R-Parität 5 Supergravitationsmodell 6 LSP in Teilchenbeschleunigern, Massenspektren 7 Ausblick -- Fazit

3 1 Dunkle Materie MotivationMotivation Rotationsverhalten der GalaxienRotationsverhalten der Galaxien Gravitationsverhalten der GalaxienGravitationsverhalten der Galaxien

4 1 Dunkle Materie

5 1.1 Heiße Dunkle Materie Eigentliche Kandidaten für DM: Neutrinos als Kandidat für heiße dunkle Materie Aber: Elektron-Neutrino-Masse, Obergrenze m νe < 2,3 eV

6 1.2 Kalte Dunkle Materie Mögliche Kandidaten W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles) W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles)Axione Supersymmetrische Teilchen Massive, elektrisch neutrale, schwach wechselwirkende Materie, die stabil sein muss

7 2 WIMPs (1): Frühes Universum: Hohe Dichte bei hoher Temperatur – WIMPs im thermischen Gleichgewicht (2): Inflationäres Universum, Abkühlung, Dichte der WIMPs durch Paarvernichtung verringert Boltzmann-Faktor: n~e -m/T (3): Temperatur und Dichte zu gering, dass die Paarvernichtung mit der Expansion mithält

8 3 Supersymmetrie Erweiterung des Standardmodells Fundamentale Symmetrie, die Fermionen und Bosonen verknüpft Jedem Fermion wird ein supersymmetrisches Boson zugeordnet Jedem Boson wird ein SUSY-Fermion zugeordnet Stabilisiert Higgs-Masse

9 3 SM und SUSY Superpartner haben unterschiedlichen Spin

10 3 SM versus MSSM Vereinheitlichung der WW (Kopplungskonstanten) Kräfte sind bei hohen Energien gleich stark α 1 : EM-Wechselwirkung α 2 : schwache WW α 3 : starke WW

11 4 Suche nach der DM Kandidatensuche für kalte dunkle Materie in SUSY-Teilchen: Higgsino, Photino, Gravitino Higgsino, Photino, Gravitino Wino, Bino, Gluino (Gauginos) Wino, Bino, Gluino (Gauginos) Neutralinos und Charginos sind ein Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Teilchen (über Massematrizen) Neutralinos und Charginos sind ein Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Teilchen (über Massematrizen)

12 4 Charginos und Neutralinos Zwei Spin ½ Charginos (χ i ± ) Vier Spin ½ Neutralinos (χ i 0 ) Es gilt für die Neutralinomassen: Es gilt für die Neutralinomassen: χ 1 0 < χ 2 0 < χ 3 0 < χ 4 0 Dabei ist χ 1 0 der Kandidat für die dunkle Materie Leichteste supersymmetrische Teilchen muss stabil sein LSP (Lightest supersymmetric Particle) ~ ~ ~ ~ ~

13 4.1 R-Parität Bedingung für Stabilität des LSP R-Parität als multiplikative Erhaltungsgröße R = (-1) 3(B-L)+2S bzw. R = (-1) 3B +L+2S R = (-1) 3(B-L)+2S bzw. R = (-1) 3B +L+2S 1 für SM, -1 für SUSY 1 für SM, -1 für SUSY Produktion von Sparticles und Anti-sparticles nur in Paaren möglich Produktion von Sparticles und Anti-sparticles nur in Paaren möglich Kein Zerfall in normale Materie Kein Zerfall in normale Materie

14 5 Supergravitationsmodell Bei hohen Energien alle Teilchen mit gleichen Spin massegleich (GUT: Grand Unification Theory) Ziel: Reduzierung der Parameter m 0 : Masse der selektron, squarks und Higgs m 1/2 : Masse der Gaugino, Higgsino

15 5 mSugra-Modell Freie Parameter: tan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skala tan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skala Sign (μ): Higgsino-Massenparameter Sign (μ): Higgsino-Massenparameter A 0 : Trilinearer Kopplungsfaktor A 0 : Trilinearer Kopplungsfaktor Punkt 3: m (χ 1 0 ): 45 Gev Punkt 1: m (χ 1 0 ): 168 GeV Punkt 5: m (χ 1 0 ): 122 GeV Punkt 2: m (χ 1 0 ): 168 GeV Punkt 4: m (χ 1 0 ): 80 GeV ~ ~ ~ ~ ~

16 5 mSugra-Modell Punkt 5 ist für Kosmologie besonders interessant Dichte der DM im vereinbar mit der kritischen Dichte des Universums im mSUGRA-Modell (R-Parität erhalten)

17 5 LHC Messung an Punkt 5 LSP unsichtbar Cuts an E T miss führen zur Seperation Indirekter Nachweis des LSP

18 6 Erzeugung von LSP in Teilchenbeschleunigern Erzeugung durch e + e - Annihilation Alle Zerfallsprozesse theoretisch möglich Bsp: Bestimmung der Massendifferenz von Neutralinos häufig über χ 2 0 – Zerfälle (Dreikörperzerfall) ~

19 Massenbestimmug über Dilepton Durch Cuts an E T miss, etc. zeichnet sich eine scharfe Kante für Dileptonenmasse ab m ll = 108,93 GeV Vorraussetzung für komplexere Zerfälle Kaskadenzerfälle

20 6 Massenspektren verschiedener Modelle

21 Ausblick -- Fazit Falls Supersymmetrie-Theorie bestätigt, direkter Nachweis und Erzeugung von DM möglich Tieferes Verständnis des frühen Universums

22 Ausblick -- Fazit Durch Verkoppelung von Fermionen und Bosonen Lösung des Hierarchie- Problems Experimenteller direkter Beweis für SUSY steht noch aus Verletzung der R-Parität ? zusätzlich 45 Parameter (Yukawa- Kopplungen) LSP: Verständnis von 27 % der Energie im Universum (dunkle Energie ?)

23 Quellen -De Boer, Wim: second int. School of astroparticle physics, Nijmwegen Heuer, Miller, Richard, Zerwas: Tesla Technical Design Report. Part III. Physics at an e + e - Linear Collider H.V.Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: "Teilchenastrophysik" -Kraml, Sabine: Neutralino Dark Matter. Neue Entwicklungen in der Teilchenphysik Martin, Stephen: a supersymmetry primer, DeKalb und Batavia Meyer, Arndt: Status und Perspektiven der Supersymmetrie, DPG-Tagung, Dortmund Polesello, Giacomo: Part 4/3. SUSY Dark Matter and LHC. Sezione di Pavia -Tovey, Dan: Measurements of the LSP mass. Prag -Atlas Detector and physics performance. Technical Design Report. 1999


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