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Die Entdeckung Dunkler Materie Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Marco Sauer 02.07.2010.

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Präsentation zum Thema: "Die Entdeckung Dunkler Materie Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Marco Sauer 02.07.2010."—  Präsentation transkript:

1 Die Entdeckung Dunkler Materie Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Marco Sauer

2 Die Entdeckung Dunkler Materie2 Gliederung I.Hinweise auf Dunkle Materie - Rotationskurven von Galaxien - Gravitationslinsen - Kollision zweier Galaxiencluster II. Was ist Dunkle Materie? - Mögliche Formen von Dunkler Materie - WIMPs III. Indirekte Nachweismethoden - Gammasatelliten - EGRET auf CGRO - Fermi IV. Direkte Nachweismethoden - Edelweiss

3 I. Hinweise auf Dunkle Materie3 Erster Hinweis auf Dunkle Materie 1933 durch Fritz Zwicky beobachtet hohe Geschwindigkeiten einzelner Galaxien im Coma- Galaxienhaufen postuliert Existenz einer nichtleuchtenden Form von Materie Virialsatz: (gilt für ein abgeschlossenes Vielteilchen- system im mechanischen Gleichgewicht)

4 I. Hinweise auf Dunkle Materie4 Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Erwartung: Die Rotations- geschwindigkeit nimmt außerhalb des galaktischen Kerns mit dem Abstand ab. Beobachtung: Die Rotations- geschwindigkeit bleibt außerhalb des galaktischen Kerns in etwa konstant.

5 I. Hinweise auf Dunkle Materie5 Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Erklärung: Eine Galaxie ist in einen sphärischen Halo von Dunkler Materie eingebettet. Dunkler Materie Halo: - Masse nimmt linear mit dem Radius zu - Anteil von 80 – 90% an der Gesamtmasse der Galaxie

6 I. Hinweise auf Dunkle Materie6 Gravitationslinsen Gemäß der ART wird Licht durch ein Gravitationspotential abgelenkt. Der Ablenkwinkel ist direkt mit der Masse verknüpft, die das Potential bildet.

7 I. Hinweise auf Dunkle Materie7 Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster) Die Kollision zweier Galaxien- cluster hat unterschiedliche Auswirkungen auf Dunkle Materie und Baryonische Materie: Dunkle Materie: im Prinzip wechselwirkungsfreies Durchdringen Baryonische Materie: starke Wechselwirkung Blau: Dunkle Materie (Nachweis durch Linseneffekte) Rot: heißes Gas (Nachweis durch Röntgenstrahlung)

8 I. Hinweise auf Dunkle Materie8 Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster)

9 II. Was ist Dunkle Materie?9 Mögliche Formen von Dunkler Materie a) Kalte baryonische Dunkle Materie - kalte Gaswolken/Staubwolken (Problem: Emission von Infrarotstrahlung) - weiße/braune Zwerge; Planeten b) Heiße Dunkle Materie - Neutrinos Problem: Gesamtmasse der unter a) und b) aufgeführten Materiearten zu klein um beobachtete Effekte zu erklären c) Kalte Dunkle Materie -

10 II. Was ist Dunkle Materie?10 WIMPs Eigenschaften der WIMPs: - massiv - neutral - schwach wechselwirkend (Paarbildung und Annihilation) - bekannter Annihilationsquerschnitt (falls thermische Relikte aus dem frühen Universum)

11 II. Was ist Dunkle Materie?11 WIMP-Entkopplung - bei hohen Temperaturen herrscht thermisches Gleichgewicht und es gilt: - für T < M gilt: - sobald die Expansionsrate die Annihilationsrate übertrifft, bleibt die Teilchendichte der WIMPs konstant

12 II. Was ist Dunkle Materie?12 WIMP-Dichte Abschätzung der WIMP-Dichte über die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Milchstraße: Unter der Annahme einer WIMP-Masse von 100 GeV erhält man ein WIMP-Teilchen pro WIMP / coffee cup

13 II. Was ist Dunkle Materie?13 WIMP-Teilchenkandidaten Eine große Klasse hoffnungsvoller WIMP-Teilchenkandidaten liefert die Supersymmetrie (SUSY). Supersymmetrie Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen und Fermionen ineinander transformiert SUSY-Operator Q mit Spin 1/2 Minimal mögliche Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik: MSSM (Minimales Supersym- metrisches Standard Modell) (120 neue physikalische Parameter! -> LHC?)

14 II. Was ist Dunkle Materie?14 WIMP-Teilchenkandidaten Hoffnungsvollster WIMP-Kandidat: LSP (Lightest Supersymmetric Particle) Geforderte Eigenschaften: - stabil - neutral Neutrale supersymmetrische Teilchen: - Sneutrinos (s=0) - Gravitinos (s=3/2) - Gauginos ( neutrale SUSY-Kraftteilchen mit s=1/2) - Higgsinos

15 II. Was ist Dunkle Materie?15 WIMP-Teilchenkandidaten Die neutralen Gauginos (Photino und Zino) sind Flavour- Eigenzustände, aber keine Masseneigenzustände. Die gesuchten Masseneigen- zustände sind die Neutralinos. Neutralinos Mischung der neutralen Gauginos und der Higgsinos Flavour-EZ Massen-EZ LSP

16 III. Indirekte Nachweismethoden16 Indirekter Nachweis von Dunkler Materie Ein indirekter Nachweis von Dunkler Materie ist über den Nachweis von sekundären Teilchen aus WIMP- Annihilationsprozessen möglich (z.B. Antiprotonen, Positronen, Neutrinos, Gamma-Strahlung) Vorgehensweise: Beobachtung von sehr dichten Bereichen des Universums, um hohe Annihilationsrate zu erhalten Problem: Unterscheidung von WIMP-Signal und Untergrund gestaltet sich schwierig möglicher Zerfall:

17 III. Indirekte Nachweismethoden17 Gammasatelliten - CGRO CGRO – Compton Gamma Ray Observatory EGRET – Energetic Gamma Ray Experiment Telescope Ziel: Katalogisierung von Gamma-Quellen Parameter: FunktionsprinzipGammanachweis über Paarbildung Energieintervall20 MeV - 30 GeV Energieauflösung~ 20% Winkelauflösung ° effektive Fläche1500 Datennahme

18 III. Indirekte Nachweismethoden18 Gammasatelliten - CGRO Ergebnis von EGRET: signifikanter Gamma- Überschuss ab einer Gamma-Energie von 1 GeV Mögliche Erklärungen: - Variation der Intensität und des Energiespektrums der kosmischen Strahlung - Überschuss an Gamma- Quanten durch WIMP- Annihilation

19 III. Indirekte Nachweismethoden19 Gammasatelliten - CGRO

20 III. Indirekte Nachweismethoden20 Gammasatelliten - Fermi Fermi Gamma-ray Space Telescope: Nachfolgesatellit des CGRO Parameter: Ergebnis: Bestätigung des Gamma-Überschusses, aber immer noch keine eindeutigen Hinweise auf WIMP-Annihilation (-> AMS?) FunktionsprinzipGammanachweis über Paarbildung Energieintervall20 MeV GeV Winkelauflösung~ 0.02° effektive Fläche1 Datennahmeseit 2008

21 IV. Direkte Nachweismethoden21 Direkter Nachweis von Dunkler Materie Ein direkter Nachweis von Dunkler Materie ist über eine elastische WIMP-Kern-Streuung möglich. Die Beobachtung des Rückstoßkerns liefert Erkenntnisse über der Eigenschaften des WIMP-Teilchens. Geignete Nachweismethoden: - Phononen - Szintillation - Ionisation

22 IV. Direkte Nachweismethoden22 Übersicht der Experimente

23 IV. Direkte Nachweismethoden23 Edelweiss Edelweiss – Expérience pour détecter les WIMPs en Site Souterrain Das Experiment befindet sich im Mondane Untergrund Labor, um störende Einflüsse (z.B. Neutronen, Myonen) abzuschirmen. Messprinzip des Halbleiter-Bolometers: Die elastische Streuung eines WIMP- Teilchens an einem Germanium-Kern führt zu dessen Rückstoß. Dieser wiederum bewirkt eine Temperaturerhöhung und eine Ionisation des Kristalls.

24 IV. Direkte Nachweismethoden24 Edelweiss-Ergebnisse

25 Die Entdeckung Dunkler Materie25 Quellen Hooper - Dunkle Materie Klapdor-Kleingrothaus / Zuber - Teilchenastrophysik Prof. G. Drexlin - Vorlesung Astroteilchenphysik I Prof. W. de Boer - Vorlesung Einführung in die Kosmologie

26 Die Entdeckung Dunkler Materie26 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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