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Zurück zur ersten Seite Dunkle Materie Grundlagen & Experimentelle Suche! Tim Niels Plasa 26.06.2003 SS 2003.

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Präsentation zum Thema: "Zurück zur ersten Seite Dunkle Materie Grundlagen & Experimentelle Suche! Tim Niels Plasa 26.06.2003 SS 2003."—  Präsentation transkript:

1 Zurück zur ersten Seite Dunkle Materie Grundlagen & Experimentelle Suche! Tim Niels Plasa SS 2003

2 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 2 Der Rote Faden n Warum soll dunkle Materie existieren? n Woraus könnte die dunkle Materie bestehen? n Einige Experimente und ihre Ergebnisse n Ausblick für die folgenden Jahre

3 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa

4 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 4 Nicht-baryonische DM

5 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 5

6 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 6 CDM = kalte dunkle Materie nichtrelativistische Bewegung im Zeitalter der Galaxienentstehung HDM = Heiße dunkle Materie relativistische Bewegung während der Galaxienentstehung

7 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 7 Warum ist dunkle Materie notwendig? n Rotationskurven von Galaxien n Messungen des Cobe und WMAP- Satelliten (Geometrie des Universums) n Galaxienclusterdynamik

8 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 8 COBE & WMAP Akkurate Messungen der CBR anisotropen Erscheinungen Ω tot = 1,02 ± 0.02 Ω Λ = 0.73 ±0.04 Ω M = 0.27 ±0.04 Ω baryonic = 0.04 ±0.004 Ω non baryonic = 0.23 ± ° 7°

9 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 9 Abzählen von Sternen Sterne = 0, ,01 Nukleosynthese 0,0095< Bary <0,023 Dunkle Materie in Halos (Rot.kurven) H >0,1 Relativbewegung der Galaxien Ma >0,3 Ausbildung großer Strukturen Ma >0,3 Supernova + Hintergrundstrahlung tot = 1,02 ± 0,02 = 0,73 ± 0,04 Wie kommt man auf die Massenverteilung ? Kritische Dichte = 3H 0 / G = 11 p/m 3

10 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 10 Dunkle Materie in Galaxien - Galaxienbildung in bestimmter Reihenfolge (top-down Szenario) - Dunkle Materie in Halos - Baryonische Materie im Kern und in Scheibe - Was können wir über die Struktur der Halos sagen?

11 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 11 Scheibengalaxien machen etwa % der Galaxien aus und eignen sich zum Beobachten der Eigenschaften der dunklen Halos - es handelt sich um flache Systeme, deren Rotation gegen die Gravitation gegensteuert.

12 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 12 NGC 891 Eine Spiralengalaxie <--- NGC >

13 Zurück zur ersten Seite Die Rotationskurven der Spiralgalxien Meistens rotieren sie nicht gleichmäßig - es gibt eine Varianz der Rotationskurven abhängig von ihrer Leuchtverteilung. Dies hier sind zwei Extremfälle: Links: Typisch für Scheiben geringerer Leuchtkraft Rechts: Charakteristisch für hohe Leuchtkraft (wie die Milchstraße) km /s kpc

14 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 14 Was hält die Scheibe im Gleichgewicht ? Der Hauptanteil der kinetisch Energie ist in der Rotation In der radialen Richtung sorgt die Gravitation für die radiale Beschleunigung, die für die fast kreisförmige Bewegung der Sterne und des Gas verantwortlich ist. In der vertikalen Richtung gleicht sich die Gravitation mit dem vertikalen Druckgradienten (der mit der zufälligen Bewegung der Sterne in der Scheibe zusammenhängt) aus

15 Zurück zur ersten Seite 15 Das radiale Gleichgewicht der Scheiben Mit der Newtonschen Mechanik kann man die Masse innerhalb eines bestimmten Radius bestimmen. wobei M(R) die eingeschlossene Masse im Radius R ist. Die Form von V(R) kann unterschiedlich sein. Für große Spiralgalxien wie der unseren, ist V(R) normalerweise flach, sodass die eingeschlossene Masse im sichtbaren Bereich M(R) R^ 2

16 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 16

17 Zurück zur ersten Seite 17 NGC 3198 Distanz: 9,2 Mpc Scheibenlänge:2,7 kpc Größter Radius: 30 kpc Maximale Geschwindigkeit: 157 km/s M(HI): 4,8 (10 9 Sonnen) M(tot): 15,4 (10 10 Sonnen) M(dunkle M.): 4,1 (10 10 Sonnen) M(Halo): 1,9 (10 10 Sonnen) Tatsächliche Beobachtungen!

18 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 18 Galaxie im Radiobereich 21cm Galaxie im sichtbaren Bereich

19 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 19 Das erwartete V(R) von Sternen und Gas fällt unter der beobachteten Rotationskurven in den äußerenTei- len der Galaxie. Dies gilt für fast alle Spiralgalaxien mit den viel zu hohen Rotationskurven! Wir fassen zusammen, dass die leuchtende Materie die Ge- schwindigkeit innerhalb eines kleinen Radius dominiert, aber über diesem Radius erhält das dunkle Halo stark an Einfluss.

20 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 20 Begeman 1987 Minimale Scheibe maximales Halo Maximale Scheibe minimales Halo

21 Zurück zur ersten Seite 21 Für die Zerlegung von NGC 3198 wurde das stellare M/L Verhältnis als größtmöglich angenommen; ohne Bezug zu einem hohlen dunklen Halo - dies nennt man eine maximum disk (minimum halo) Zerlegung. Mehr als 1000 Galaxien sind auf diesem Wege analysiert worden - die Zerlegung sieht oft so aus wie für NGC 3198, mit vergleichbaren Peaks für die Geschwindigkeitsverteilungen von der Scheibe und dem dunklen Halo. Es wird angenommen, dass dies schließlich teilweise auf die adiabatische Kompression des dunklen Halo durch die Baryonen zurückzu- führen ist, wenn Sie sich zusammenziehen, um die Scheibe zu formen. Das dunkle Materie Halo ist notwendig um die Rotationskurven zu erklären! Dark matter halo

22 Zurück zur ersten Seite Galaxie separat - Galaxiecluster Parameter für dunkle Halos(Dichte, Geschwindigkeitsverteilung, Form...) Seit etwa 1985 haben die Beobachter Modelle dunkler Halos entwickelt, denen ein Kern mit konstanter Dichte zugrunde liegt. Bei den gewöhnlichen Modelle gibt es eine Isothermale Sphären mit einem gut definierten Kern-Radius und zentraler Dichte, wobei r -2 bei einem weiten Radius => dadurch wird V(r) ~ konstant wie beobachtet.

23 Zurück zur ersten Seite 23 Isothermale Sphäre

24 Zurück zur ersten Seite Es gibt auch die pseudo-isothermale Sphäre o {1 + (r / r c ) 2 } -1 Benutzt man dieses Modell für den dunklen Halo von großen Galaxien wie der Milchstraße, so findet man o ~ 0.01 Solar- massen pc -3 und r c ~ 10 kpc Sie sind im Zentrum konstant dicht, mit r - 2 CDM Simulationen produzieren immer wieder Halos, welche im Zentrum zugespitzt sind. Dieser Sachverhalt ist seit den 80ern bekannt (Navarro et al 1996 = NFW) bekannt mit der Dichte- verteilung: (r / r s ) - 1 {1 + (r/r s )} - 2 Diese sind im Zentrum zugespitzt, mit r - 1

25 Zurück zur ersten Seite 25 Verteilung der inneren Abnahme der Dichte ~ r Beispiel für etwa 60 leuchtschwache Galaxien Optische Rotationskurven teilen uns die Abnahme der Dichte mit. NFW Halos haben = -1 Flache Kerne haben = 0 de Blok et al 2002 NFW

26 Zurück zur ersten Seite 26 Man kann sagen, dass die Dichteverteilung der dunklen Halos viel über dunkle Materie aussagt. Zum Beispiel könnte die bewiesene Präsenz von cusps einige dunkle Materie Partikel ausschließen (z.B. Gondolo 2000). Vielleicht ist auch die Theorie der CDM falsch. - mit sich selbst wechselwirkende dunkle Materie könnte ein flaches Zentrum (r) durch heat transfer in die kälteren zentralen Gebiete ermöglichen. (-->Kernkollaps wie in globularen Sternhaufen) (siehe Burkert 2000, Dalcanton & Hogan 2000) Alternative: Es gibt viele Wege zur Konvertierung von CDM cusps in zentrale Kerne, sodass wir bisher keine cusps gesehen haben...

27 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 27 Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs) Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs), Neutrinos & Axionen Neue Physik Kandidaten für die dunkle Materie

28 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 28 Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs) Geringe (sub- solare) Sternenmasse. Gewöhnliche baryonische Zusammenstellungen. Gebrauch vom Gravitationslinseneffekt zum Studieren. Möglicherweise verantwortlich für 25% bis 50% der dunklen Materie

29 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 29 Woraus bestehen Machos? Braune Zwerge Neutronensterne Weiße Zwerge Planeten

30 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 30

31 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 31 Massive Compact Halo Objects – MACHOs Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskörper und uns bewegen. MACHO fungiert dann als Gravitationslinse! Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring. Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskörper und uns bewegen. MACHO fungiert dann als Gravitationslinse! Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring. )

32 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 32 Zum Gravitationslinseneffekt Verformung des Hintergrunds durch unsichtbare Materie im Vordergrund Ohne MachoMit Macho

33 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 33 ==> mag=Helligkeit exponentiell aufgetragen

34 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 34 Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs) Teilchen, die nicht aus dem Standard Modell kommen - insbesondere Neutralinos Schwere (> 45GeV) neutrinoartige Teilchen von Eichtheorien. Dunkle Materie aus dem Teilchenzoo

35 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 35 Mögliche Erweiterung des Standard Modells: Supersymmetrie Jedes Standard-Modell-Teilchen x hat einen supersymmetrischen Partner x z.B.electron selectron neutrino sneutrino gluon gluino W boson Wino ~

36 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 36 Zugang zu den neuen Teilchen? Hochenergie Strahlen Kollisionsexperimente CMS(LHC), ATLAS

37 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 37 Die MSSM – Parameter -Higgsino Massen Parameter M 2 -Gaugino Massen Parameter m A -Masse des CP-odd Higgs bosons tan -Verhältnis der Higgs Vakuum Erwartungswerte m 0 -skalarer Massen Parameter A b -trilinear coupling, bottom sector A t -trilinear coupling, top sector

38 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 38 Neutralino als dunkle Materie SUSY WIMPs ( LSP : neutralino ) Nicht Baryonische kalte dunkle Materie Kandidaten Kleinste Masse, lineare Superposition von Photino, Zino, Higgsino Verschiedene Implementierungen der MSSM f ü hrt zu diversen Massenfenster: 60GeV < m < TeV Neutralino

39 Zurück zur ersten Seite Annahme ist im galaktischen Halo präsent! ist sein eigenes Antiteilchen => kann annihilieren und dabei Gammastrahlung produzieren, Antiprotonen, Positronen…. Antimaterie wird nicht in großen Mengen durch Standardprozesse gebildet (sekundäre Produktion durch p + p --> p + X) D.h., der zusätzliche Beitrag von exotischen Quellen ( Annihilation) ist ein interessantes Signal Produziert durch (eine Möglichkeit) --> q / g / Gauge Boson / Higgs Boson und nachfolgenden Zerfall und/oder Hadronisation. _ _

40 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 40 DM Neutralino Suche Wir schauen also nach Antiprotonen, Positronen, Gammastrahlung, die durch WIMP Annihilation entstanden ist. BESS, GLAST, ISS, AMS … Wir schauen also nach hochenergetischen Neutrinos als letzte Produkte von WIMP Annihilation in den Himmelsk ö rpern(Erde, Sonne) SK, AMANDA, MACRO, … Wie messen die nuklearen R ü ckst öß e, die durch die elastische Streuung der WIMPs an den Detektoren entsteht. DAMA, CDMS, Edelweiss, CRESST, UKDMC...

41 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 41 Signale von WIMPs Erdbewegung durch das Milchstra ß enhalo erzeugt asymmetrische charakteristische Verteilung der WIMPs. Erdorbitalbewegung um die Sonne (15 km/s) J ä hrliche Modulation der WIMP Wechselwirkungsrate.

42 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 42

43 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 43 WIMP Dunkle Materie Annihilationen? Wenn das wahr ist, gibt es beobachtbare Halo Annihilationen in mono- energetische Gammastrahlung. q q oder oder Z Linen ? X X Erweiterungen zum Standard Modell der Teilchenphysik geben uns also gute Kandidaten für galaktische dunkle Materie. Dies wäre dann eine völlig neue Form der Materie. Simulated response to 50 GeV side-entering s Glast-Simulation Antiproton oder Positron-Strukturen? - = Untergrund, - = Untergrund + Signal

44 Zurück zur ersten Seite Positronen Signale von Neutralinos Positron Quellenfunktion In die Difffusionsgleichung wird das galaktische Modell einbezogen: Die Positronen treffen auf den solaren Wind. Dies wird noch in die Rechnung mit einbezogen. Am besten schaut man nach Positronenzerfällen, e + /(e + + e - ) um die Modulationseffekte zu minimieren. Vernichtungsquerschnitt Dichte Geschwindigkeit

45 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 45 Messung der Höhenstrahlung mit AMS

46 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 46 Der HEAT-ÜBERSCHUSS _____________________________________________________ Man kann mit Ballons in großer Höhe Positronen detektieren Ergebnis: Es gibt mehr Positronen als angenommen Wimp-Annihilation als partielle mögliche Erklärung

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49 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 49 Zusammenfassung n Mit Standard MSSM und astrophysikalischen Annahmen sind die Positron-Raten in der Regel zu gering. n HEAT hat eine Stelle bei ~8 GeV, die mit einem Signal von Neutralinos erklärt werden könnten. n Aber der Peak kann trotzdem nicht völlig erklärt werden, nicht mal mit einer monochromatischen Quelle von Positronen. n Hier sind daher weitere Untersuchungen in den nächsten Jahren notwendig! n Blois: I wouldnt bet my life savings on super-symmetric dark matter as the explanation of the positron excess... n Mit Standard MSSM und astrophysikalischen Annahmen sind die Positron-Raten in der Regel zu gering. n HEAT hat eine Stelle bei ~8 GeV, die mit einem Signal von Neutralinos erklärt werden könnten. n Aber der Peak kann trotzdem nicht völlig erklärt werden, nicht mal mit einer monochromatischen Quelle von Positronen. n Hier sind daher weitere Untersuchungen in den nächsten Jahren notwendig! n Blois: I wouldnt bet my life savings on super-symmetric dark matter as the explanation of the positron excess...

50 Zurück zur ersten Seite Neutralinoeinfang und Annihilation Sonne Erde Detektor Freese, 86; Krauss, Srednicki & Wilczek, 86 Gaisser, Steigman & Tilav, 86 Silk, Olive and Srednicki, 85 Gaisser, Steigman & Tilav, 86 Geschwindigkeitsverteilung Streu Einfang Vernichtung WW int.

51 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 51 AMANDA

52 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 52

53 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 53 Die Zukunft… IceCube n IceCube: 80 strings 60 PMTs/string Depth: Km

54 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 54 IceCube Konzept 1400 m 2400 m AMANDA South Pole IceTop Skiway n IceTop: 2 PMTs in a pool at the top of each string. 3D air-shower detector

55 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 55 Direkte Suche nach Wimps Benötigt: große Detektormasse, Abschirmung

56 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 56 CRESST am Gran Sasso Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers

57 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 57

58 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 58 CDMS & EDELWEISS WW wird als Temperaturerhöhung nachgewiesen Simulation

59 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 59 Edelweiss Juni 2002 Ausschließungsgrenzen !

60 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 60 Zusammenfassungen n Edelweiss kann das DAMA Signal zu 99.8% ausschließen. n Der Positronenüberschuss in den HEAT Daten ist mit Neutralinos schwer zu erklären. n Die Daten von HEAT sind relativ ungenau n Edelweiss kann das DAMA Signal zu 99.8% ausschließen. n Der Positronenüberschuss in den HEAT Daten ist mit Neutralinos schwer zu erklären. n Die Daten von HEAT sind relativ ungenau

61 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 61 Neutrinos Zunächst aussichtsreichste Kandidaten, doch Galaxienbildung spricht dagegen m 2eV cm 3

62 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 62 Um Rotationskurven in Galaxien beschreiben zu können, müssen Neutrinos ein m > 10 eV haben!

63 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 63 Geringer Beitrag, wenn atmosphärische Neutrinomessungen korrekt sind, m < 1eV. Große galaktische Strukturen sind schwer mit Neutrino dominierter dunkler Materie in Einklang zu bringen. Schlussfolgerung

64 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 64 AXIONEN - hohe Teilchendichte - geringe Wechselwirkung - kleine Masse ( < 0,1 eV) - kein Spin ==> schwer nachweisbar Nachweis in Magnetfeld über Kopplung an ein verschränktes Photon, dass sich dann in ein reelles Photon umwandelt (Primakoff-Effekt) Vorhergesagt von Peccei-Quinn + ´ => a a + ´ =>

65 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 65

66 Zurück zur ersten Seite Tim Niels Plasa 66 Neue Physik ? ? ? ? Versuche von Erweiterungen bestimmter Gesetze: - Gravitation - Beschleunigung

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