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Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014 Dunkle Mächte im Weltall.

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Präsentation zum Thema: "Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014 Dunkle Mächte im Weltall."—  Präsentation transkript:

1 Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014 Dunkle Mächte im Weltall

2 Phase 1: Fortschritt (ein Beispiel)

3 Struktur der Materie (Empedokles et al., ≈ 500 v.Chr.) sehr erfolgreich viele Anwendungen … etwas grob

4 Struktur der Materie (Mendelejev, Meyer, 1869) Grundlage der modernen Chemie … aber subatomare/subnukleare Phänomene?

5 H Higgs Struktur der Materie (CERN et al., 2012) Materie Kraftfelder Skalarfeld (→ Massen)

6 CERN 4. Juli 2012 CERN 4. Juli 2012 Standardmodell der Teilchenphysik komplett! → E ierlegende W ollmilch S au ? Physik „fertig“?

7 Phase 2: Frustration

8 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie 4% Materie des Standardmodells Ist da sonst gar nichts mehr? Das Weltall – Unendliche Weiten Doch! Wir kennen mal gerade 4%!

9 Phase 3: Faszination

10 Dunkle Energie Messung der Expansion des Weltalls mit Standardkerzen Galaxie NGC 4526 Ia-Supernova 1994D sichtbare Helligkeit  Entfernung Rotverschiebung  Geschwindigkeit

11 Ergebnis: Expansionskurve des Weltalls Jetzt Milliarden Jahre Ausdehnungsskala Urknall beschleunigte Expansion  negativer Vakuumdruck (dunkle Energie)  kosmologische Konstante?  neue Skalarfelder?  ?????????????????????? Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase gebremste Expansion  Massenanziehung der (dunklen) Materie

12 Dunkle Materie bremst Expansion des Alls sie ist unsichtbar aber nicht unspürbar

13 Fritz Zwicky (1898 bis 1974) Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933) Coma Galaxienhaufen APOD, , Dean Rowe Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem  Der Haufen müsste das 400-fache an Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein!

14 Dunkle Materie und Rotation von Galaxien r v(r) Galaxiemasse M Galaxien-Rotationskurven  Galaxie ist einen Riesenball unsichtbarer Dunkel- Materie... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen

15 Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen Galaxien im sichtbares Licht Heißes Gas (Röntgenstrahlung) Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt) NASA/CXC/CfA/STScI

16 Phase 4: Forschung (Beispiel: Dunkle Materie)

17 Bestandsaufnahme DM-Teilchen senden keine elektromagne- tische Strahlung aus, sind elektrisch neutral, spüren keine Kernkraft. DM-Teilchen unterliegen der Gravitationskraft und eventuell anderen “schwachen” Wechselwirkungen

18 The Sloan Digital Sky Survey Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin! 2 Milliarden Lichtjahre Deklinations- winkel  1.25  1.25 

19 Was ist Dunkle Materie? Populärste Hypothese: schwach wechselwirkende neutrale Teilchen langsame, massereiche Teilchen (  keine Neutrinos!) WIMPs Weakly Interacting Massive Particles

20 Idee: Supersymmetrie (SUSY) SUSY-Spiegel quark Spin ½ squark Spin 0 Spin 1 gluon Spin ½ gluino Spin 1 / 0 photon Z Higgs- Bosonen neutralinos Spin ½ stabil, DM-Kandidat

21 Wie sucht man Dunkle Materie? LHC Wechselwirkung (jenseits StandardModell) SM-Teilchen WIMP direkte Suche indirekte Suche

22 1. WIMP-Suche am LHC (CERN)

23 LHC ab 2015: 27 km Umfang Kollisionen von 6,5…7 TeV Protonen  t  25 ns zwischen Paket-Kollisionen 40 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision Der LHC Beschleunigerkomplex

24 ATLAS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, … Der LHC Beschleunigerkomplex

25 CMS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, … Der LHC Beschleunigerkomplex

26 Das Detektorprinzip Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

27 DM-WIMP NeutrinoElektron Jet WIMP-Erzeugung am LHC Beispiel: Erzeugung von squarks und gluinos pp gluino squark undetektiert 5 Jets 1 Elektron fehlende Energie Vorsicht Untergund: z.B.

28 Isoliertes Elektron, Jets, E e jet bisher kompatibel mit Untergrund

29 2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde WIMP Atomkern im Detektor aus dem Weltall Rückstoß Energie ≲ 100 keV zurück ins Weltall Detektoren: extrem sensitiv extrem rein hoch-abgeschirmt  Ionisation / Phononen / Photonen

30 Direkte WIMP-Suche weltweit

31 Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso) 10 kg Kristalle CaWO 4

32 Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer supraleitende Phasenübergangs- Thermometer (SPT) aus Wolfram Detektormodul bei < 10 mK Phonon Licht Phononen Licht WIMP Unter- grund ✔ ✔ ✔ -

33 Resultate liefern noch kein konsistentes Bild… beste Obergrenze positive Signale

34 3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren: Zentrum unserer Milchstraße Zentrum unserer Sonne NASA Zwerggalaxien

35 WIMP Charakteristische Hochenergie-Strahlung: Gamma-Strahlung Neutrino-Strahlung Antimaterie-Strahlung Nachweis auf der Erde ?

36 Antimaterie aus dem Weltall Alpha Magnetic Spectrometer on ISS

37 Positron-Anomalie WIMP-Annihilation? Astrophysikalische Positron-Quelle (naher Pulsar)? Positronen durch kosmische Strahlung ?

38 IceCube Neutrino -Detektor am Südpol

39 Wechelwirkung Detektor Neutrino Neutrino- Nachweis Myon

40 IceCube WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne Alle Teilchen außer Neutrinos werden in der Sonne absorbiert Bisher noch kein Signal…

41 Höchstenergetische Gammastrahlung H.E.S.S. Cherenkov-Teleskope Khomas Hochland, Namibia Fermi-Satellit

42 ~150 pc Galactic Centre HESS J1745  290 SNR G0.9  0.1 HESS J1747  281 TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum supermassives schwarzes Loch

43 Gamma-Linien aus dem Galaktischen Zentrum? C. Weniger, JCAP 1208 (2012) 007 WIMP WIMP →   M WIMP  130 GeV

44 Phase 5: Fun …zurück zu Phase 1 von hier…

45 Fazit Mit Higgs-Teilchen ist erstes Skalarfeld entdeckt Komplettierung des Standardmodells oder Schlüssel zur Supersymmetrie (Neutralinos, WIMPs)? Noch keine Anzeichen für WIMPs am LHC… …aber viel Aufregung bei der Suche nach WIMPS aus dem Weltall. Es bleibt super-spannend. Keep tuned !

46 Physik macht Spaß Forschung Fortschritt Fun Frustration Faszination


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