Dunkle Mächte im Weltall

Präsentation zum Thema: "Dunkle Mächte im Weltall"—  Präsentation transkript:

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

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

6 CERN 4. Juli 2012 Standardmodell der Teilchenphysik komplett!
→ EierlegendeWollmilchSau? Physik „fertig“?

7 Phase 2: Frustration

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

9 Phase 3: Faszination

10 Messung der Expansion des Weltalls mit Standardkerzen
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
beschleunigte Expansion  negativer Vakuumdruck (dunkle Energie) kosmologische Konstante? neue Skalarfelder? ?????????????????????? Ausdehnungsskala gebremste Expansion  Massenanziehung der (dunklen) Materie Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase Urknall Jetzt Milliarden Jahre

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

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

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

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

16 (Beispiel: Dunkle Materie)
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
2 Milliarden Lichtjahre Deklinations-winkel 1.251.25 Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!

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

20 Idee: Supersymmetrie (SUSY)
quark Spin ½ SUSY-Spiegel 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?
indirekte Suche Wechselwirkung (jenseits StandardModell) SM-Teilchen WIMP direkte Suche LHC

22 1. WIMP-Suche am LHC (CERN)

23 Der LHC Beschleunigerkomplex
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

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

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

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

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

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

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

30 Direkte WIMP-Suche weltweit

31 Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso)
CaWO4 10 kg Kristalle

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

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

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

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

36 Alpha Magnetic Spectrometer on ISS
Antimaterie aus dem Weltall Alpha Magnetic Spectrometer on ISS

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

38 IceCube Neutrino-Detektor am Südpol

39 Neutrino- Nachweis Wechelwirkung Detektor Myon Neutrino

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

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

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

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

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

45 Es bleibt super-spannend. Keep tuned !
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 Forschung Faszination Fun Physik macht Spaß Frustration Fortschritt