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Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Geheimnis der dunklen Materie Das Geheimnis der.

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1 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Geheimnis der dunklen Materie Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum? Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum? Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008

2 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Thomas Wright (1750), An Original Theory of the Universe

3 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenPizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos Neutrinos 0.1 2% 0.1 2% Dunkle Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)

4 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Struktur von Spiralgalaxien Spiralgalaxie NGC Spiralgalaxie NGC 891

5 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenSonnensystem

6 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Rotationskurve des Sonnensystems Keplersches Gesetz

7 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Galaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Radiobeobachtungen durch Radiobeobachtungen der Wasserstoffbewegung der Wasserstoffbewegung [MNRAS 249 (1991) 523] [MNRAS 249 (1991) 523] Erwartet aus Verteilung der leuchtenden Materie Beobachtete flache Rotationskurve Spiralgalaxie NGC 3198 mit Spiralgalaxie NGC 3198 mit überlagerten Konturen der überlagerten Konturen der Wasserstoff-Säulendichte Wasserstoff-Säulendichte [ApJ 295 (1985) 305] [ApJ 295 (1985) 305]

8 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Struktur einer Spiralgalaxie Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt Dunkler Halo

9 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Coma Haufen Dunkle Materie in Galaxienhaufen Geschwindigkeitsmessung durch Dopplereffekt von Spektrallinien Massenabschätzung Ein gravitativ gebundenes System vieler Teilchen gehorcht dem Virialsatz

10 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Dunkle Materie in Galaxienhaufen Fritz Zwicky: Die Rotverschiebung von Extragalaktischen Nebeln Helv. Phys. Acta 6 (1933) Jahre Dunkle Materie

11 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Lichtablenkung durch Gravitation (Gravitationslinse)

12 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen Galaxienhaufen Cl [Hubble Space Telescope] Numerische Simulation

13 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & Röntgen)

14 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Bullet Cluster (1E )

15 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Expandierendes Universum und Urknall Hubblesches Gesetz Hubblesches Gesetz v Expansion = H 0 Abstand v Expansion = H 0 Abstand Hubble-Konstante Hubble-Konstante H 0 = h 100 km s -1 Mpc -1 H 0 = h 100 km s -1 Mpc -1 Messwert Messwert h = h = Expansionsalter des Universums t 0 H Milliarden Jahre 1 Mpc = Lichtjahre 1 Mpc = Lichtjahre = cm = cm

16 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Urknall und Expansion des Universums

17 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Hubble Diagramm Supernovae vom Typ Ia als kosmologische Standardkerzen Hubbles Originaldaten (1929) Rotverschiebung(Fluchtgeschwindigkeit) Scheinbare Helligkeit (Entfernung)

18 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Hubble Diagramm Beschleunigte Expansion BeschleunigteExpansion Abgebremste Expansion (Normale Materie)

19 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Expansion verschiedener kosmologischer Modelle Zeit (Milliarden Jahre) Nach einer Vorlage von Bruno Leibundgut Kosmischer Skalenfaktor a Heute M = 0 M = 0 9 M = 1 M = 1 7 M > 1 M > 1 M = 0.3 M = 0.3 = 0.7 = 0.7

20 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Neueste Supernova Daten Kowalski et al., Improved cosmological constraints from new, old and combined supernova datasets, arXiv:

21 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Einsteins Größte Eselei Friedmann Gleichung für Friedmann Gleichung für Hubbles Expansionsrate Hubbles Expansionsrate YakovBorisovichZeldovich Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich Vakuumfluktuationen Vakuumfluktuationen Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie Vakuumenergie vac äquivalent zu Vakuumenergie vac äquivalent zu Kosmologische Konstante (neue Naturkonstante) erlaubt statisches Universum durch globale Antigravitation Newtonsche Konstante Dichte gravitierender Masse & Energie Krümmungsterm ist sehr klein oder Null (Euklidische Raumgeometrie)

22 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Nullpunktsenergie der Quantenfelder Energieniveaus des harmonischen Oszillators Nichtverschwindende Nullpunktsenergie wegen Heisenbergscher Unschärferelation: Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmt und also nicht gleichzeitig exakt Null Elektromagnetisches Feld: Elektromagnetisches Feld: E und B nicht gleichzeitig Null E und B nicht gleichzeitig Null wegen Unschärferelation wegen Unschärferelation Energiedichte im Grundzustand (Vakuum) ist Summe über unendliche viele Oszillatoren Nominelle Vakuumenergie der Quantenfelder Nominelle Vakuumenergie der Quantenfelder für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) Wie zu interpretieren ??? Wie zu interpretieren ???

23 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Casimir Effekt (1948) Hendrik Bugt Casimir ( ) Eine messbare Manifestation Eine messbare Manifestation der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001) Casimir Kraft zwischen parallelen Platten (Abstand d, Fläche A) Langwellige Feldmoden zwischen den Platten werden verdrängt, so dass dort die Vakuum- energie geringer ist als im freien Raum

24 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenPizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos Neutrinos 0.1 2% 0.1 2% Dunkle Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)

25 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Periodensystem der Elementarteilchen QuarksLeptonen Ladung +2/3 Up Ladung 1/3 Down Ladung 1 Elektron Ladung Ladung e-Neutrino eedu Neutron Proton Proton QuarksLeptonen Ladung +2/3 Up Charm Top Gravitation Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Ladung 1/3 Down Strange Bottom Ladung 1 Elektron Myon Tauon Ladung Ladung e-Neutrino -Neutrino -Neutrino ee d s b u c t 1. Familie 2. Familie 3. Familie

26 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC)

27 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München SDSS Survey

28 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität

29 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Troels Haugbølle, Neutrinos mit m = 6.9 eV Standard CDM Modell Structurbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutiges Universum)

30 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Hubble Deep Field Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos Neutrinos 0.1 2% 0.1 2% Dunkle Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)

31 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Alternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt Sleptons (e, e, …) Squarks (u, d, …) SpinSuperpartner 0 1/2GluinosWinoZino Photino ( ) 1/2 3/2 Higgsino Gravitino ~ ~~ ~ ~ Falls die R-Parität erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil Falls die R-Parität erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das Neutralino, Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das Neutralino, das einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt das einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt Neutralino = C 1 Photino + C 2 Zino + C 3 Higgsino 1/2 Leptons (e, e, …) Quarks (u, d, …) 1Gluons W Z 0 Photon ( ) 0 2 Higgs Graviton SpinStandardteilchen

32 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Erfinder der Supersymmetrie Julius Wess ( ) Direktor emeritus MPI Physik Bruno Zumino (geb. 1923)

33 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC) LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008 Protonen werden mit den bisher Protonen werden mit den bisher höchsten Energien zur Kollision höchsten Energien zur Kollision gebracht gebracht Entdeckung neuer Teilchen wird Entdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.B. Higgs-Teilchen und erwartet, z.B. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partner die supersymmetrischer Partner der normalen Materie der normalen Materie

34 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008

35 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) Kristall Energie-deposition Gemessen wird Rückstoss-Energie (einige keV) durch Ionisation Ionisation Szintillation Szintillation Kryogenisch Kryogenisch Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino)

36 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Suchexperimente für WIMPs COUPPPICASSO XENON LUX, ZEPLIN WARP, ArDM DEAP/CLEANDAMA/LIBRA KIMS, XMASS DRIFTGERDA CDMSEDELWEISSCRESSTROSEBUD WärmePhononen LadungLicht

37 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt Physik im Untergrund Unterdrückung von Störsignalen Unterdrückung von Störsignalen grundlegend für WIMP-Suche grundlegend für WIMP-Suche Abschirmung kosmischer Strahlung Abschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlabors in Untergrundlabors Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

38 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie

39 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs? Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor) beobachtet eine jährliche Modulation ihres Signals mit hoher statistische Signifikanz [Riv. N. Cim. 26 (2003) 1 73, arXiv: (2008)] Detektor Stabilität ? Hintergrund Stabilität ?

40 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) Kristall Energie-deposition Gemessen wird Rückstoss-Energie (einige keV) durch Ionisation Ionisation Szintillation Szintillation Kryogenisch Kryogenisch Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino) Indirekte Methode (Neutrino-Teleskope) Sonne Galaktische dunkle Materie-teilchen werden akkretiert AnnihilationNeutrinos hoher Energie (GeV – TeV) können gemessen werden

41 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München IceCube Neutrino Telescope at the South Pole 1 km 3 antarktisches Eis 1 km 3 antarktisches Eis mit Photosensoren instrumentiert mit Photosensoren instrumentiert 40 Trossen von 80 installiert (2008) 40 Trossen von 80 installiert (2008) Fertigstellung bis 2011 geplant Fertigstellung bis 2011 geplant

42 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München ANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer

43 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Leuchtende Lebewesen der Tiefsee

44 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Selbst-Annihilation dunkler Materieteilchen

45 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Kann man die dunkle Materie sehen? HESS Luftschauer Teleskop, Namibia MAGIC, La Palma GLAST Satellit Start 11. Juni 2008 Dunkle Materieteilchen können direkt zerstrahlen Der dunkle Halo der Galaxie könnte in hochenergetischer Gamma-Strahlung leuchten

46 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Via Lactea Simulation der Bildung unserer Milchstraße Diemand, Kuhlen & Madau,

47 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Materie Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC) vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2008) am CERN in Genf (ab 2008) Suche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST) Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST) Anti-Protonen (AMS, Pamela) Anti-Protonen (AMS, Pamela) Positronen (AMS, Pamela) Positronen (AMS, Pamela) Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …) (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …) Rückstoßenergie (wenige keV) Gemessen durch Ionisation Ionisation Szintillation Szintillation Kryogenisch Kryogenisch

48 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Some Dark Matter Candidates Supersymmetric particles Neutralinos Neutralinos Axinos Axinos Gravitinos Gravitinos Gauge hierarchy problem Little Higgs models Kaluza-Klein excitations Large extra dimensions Axions CP Problem of strong interactions Sterile neutrinos Right-handes states should exist Wimpzillas (superheavy particles) Super GZK cosmic rays MeV-mass dark matter Explain cosmic-ray positrons Mirror matter Exact parity symmetry Primordial black holes Q-balls Why not ?

49 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenPizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos Neutrinos 0.1 2% 0.1 2% Dunkle Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)

50 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Hubble Deep Field Nicolaus Copernicus ( )


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