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Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki. Kosmologische Dichte: mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte - Wiederholung: Kosmologische Dichte.

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Präsentation zum Thema: "Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki. Kosmologische Dichte: mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte - Wiederholung: Kosmologische Dichte."—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki

2 Kosmologische Dichte: mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte - Wiederholung: Kosmologische Dichte

3 einige exemplarische Ergebnisse Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 < < 0,3 Fluchtgeschwindigkeitsfelder: 0,25 < < 2 Baryonische Dichte über Luminosität: b < 0,03 Dunkle Materie?

4 Aufteilung Heutige Annahme: 70% dunkle Energie 30% Materie90% dunkle Materie 10% gewöhnliche Materie nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!

5 Übersicht Hinweise Kandidaten Experimenteller Nachweis

6 Hinweise auf dunkle Materie Rotationskurven von Spiralgalaxien Elliptische Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen Hinweise aus Kosmologie

7 Rotationskurven von Spiralgalaxien Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?

8 Stabile Kreisbahn: M r – Gesamtmasse innerhalb Radius r Berechnung allgemein

9 innerhalb: kugelförmiger bulge außerhalb: Gesamtmasse konkrete Berechnung

10 Bild von Theorie

11 experimentell: ! Experimentell Sphärischer Halo aus dunkler Materie?

12 Elliptische Galaxien

13 Gashalo Röntgenabsorption: Gashalos mit 10 7 K Gasmoleküle lägen über Fluchtgeschwindigkeit Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen über dem der Sonne Dunkle Materie?

14 Dynamik von Galaxienhaufen

15 Virialsatz Virialsatz: mitund

16 Messung Messung: Masse liegt 2 Größenordnungen höher als von Leuchtkraft zu Masse berechnetem Wert Dunkle Materie?

17 Hinweise aus der Kosmologie

18 Flachheitsproblem Flachheitsproblem: Heutiges Universum extrem flach Muss früher noch viel flacher gewesen sein Warum war das Universum so flach? Inflation! erfordert = 1

19 Galaxienentstehung Galaxienentstehung: Galaxien aus Dichteinhomogenitäten entstanden Strahlung und Materie bei 3000 K entkoppelt Dichteinhomogenitäten erst später entstanden Zeit reicht nicht zur Bildung heutiger Strukturen Massive Teilchen, die früher entkoppelten und Kondensationskeime bildeten?

20 Kandidaten Alternativen Baryonische dunkle Materie Nicht-baryonische dunkle Materie

21 Alternativen Kosmologische Konstante : Einstein: für statisches Universum eingeführt Nach Entdeckung der Expansion meist = 0 Heute: als Energiedichte des Vakuums Zeitabhänge Gravitationskonstante: G(t) hätte anderes b zur Folge Aber: Keine Energieerhaltung !!! Dunkle Energie

22 MOND-Theorie MOND-Theorie: Annahme: Gravitationsgesetzt nicht universell gültig (modified Newtionian dynamics)

23 Baryonische Dunkle Materie Gewöhnliche baryonische Materie MACHOs (Massive Compact Halo Objekts)

24 Braune Zwerge Braune Zwerge: Objekte mit kleiner Masse Keine Kernfusion z.B. Planeten Mangelnde Kenntnis über Entstehung Weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher: Endprodukte eine Sternenlebens Materie teilweise wiederverwendet Leichte Sterne größere Lebensdauer als Universumalter

25 Nicht-baryonische dunkle Materie WIMPs (weakly interacting massive particles) COBE und QDOT IRAS: 30% heiße und 70% kalte dunkle Materie

26 Heiße dunkle Materie Leichte Neutrinos: Vorteil: leichte Neutrinos bekannt bereits geringe Masse hätte gravierende Auswirkung auf Dynamik des Universums Neutrinos haben bei T= K entkoppelt heiße dunkle Materie

27 Kalte dunkle Materie Schwere Neutrinos: Theoretisch mögliche Teilchen Bei Entkopplung bereits nicht-relativistisch kalte dunkle Materie Axionen: hypothetische Teilchen aus Symmetriebrechung im starken CP-Problem Axion-Hintergrundfeld

28 Supersymmetrische Teilchen Supersymmetrische Teilchen: hypothetische Teilchen aus Supersymmetrie Boson-Fermion-Symmetrie nur schwache Wechselwirkung Mögliche SUSY-Teilchen für dunkle Materie: Photino, Higgsino, Zino, sNeutrino, Gravitino Bislang kein Nachweis ( Beschleunigerexperimente)

29 Topologische Defekte in der Raumzeit: Annahme: Ende des frühen Universums fand Symmetriebrechung statt Bildung von Raumdomänen mit unterschiedlichen Ausrichtungen an Grenzflächen Entstehung von topologischen Defektstellen z.B. Magnetische Monopole, kosmische Strings

30 Nachweis MACHOs Axionen WIMPs

31 MACHO-Nachweis allgemeine Relativitätstheorie Gravitationslinseneffekt Winkelabstand Masse der Linse Gravitationslinsen:

32 Microlensing Abbilder aus Gravitationslinseneffekt so dicht beieinander, dass nicht mehr unterscheidbar Modifikation + Verstärkung der Bilder, wegen Bündelung des Lichtes von größerem Winkelbereich Microlensing: Merkmale: - hohe Lichtverstärkung - symmetrische Lichtkurve - Veränderung ist achromatisch - statistisch nur 1 Ereignis pro Stern

33 Das MACHO-Projekt Teleskop in Australien scannt Himmel mit CCD seit Beginn 1992: einige Ereignisse in LMC und in Zentrum der Milchstraße - etwa halbe Sonnenmasse - Objektart nicht sicher - reicht nicht zur Erklärung

34 Axionnachweis geringe Anzahl an Ereignissen Masse von bis eV

35 Versuch 1 Versuch 1:

36 Versuch 2 Versuch 2:

37 WIMP-Nachweis Nachweis der Rückstoßenergie bei Wechselwirkung mit Atomkern

38 Tieftemperaturmethoden Tieftemperaturmethoden: Supraleitende Spule knapp unterhalb der Sprungtemperatur Auftreffen von einem WIMP Rückstoßenergie zerstört Cooper-Paare messbares Spannungssignal

39 kalorimetrische Messung kalorimetrische Messung: Rückstoßenergie E R = Q kleines Q großes T

40 Phononmessung Messung der Phononen

41 Ionisation in Halbleiterzählern Ionisation in Halbleiterzählern: Empfindlichkeit bis zu sehr großen Massen Rückstoßkern erzeugt Elektron-Loch-Paare Stromstoß Spinunabhängig: 76 Ge Spinabhängig: 73 Ge Si-Halbleiterzähler für den Nachweis leichterer Teilchen

42 DAMA (Dark Matter Search) NaI-Detektor in Gran Sasso -Abschirmung: 1400m Gestein - WIMPs sammeln sich wegen Gravitations-WW in Zentrum der Milchstraße - erwarten jahreszeitlich schwankende Ereignisrate wegen der Bewegung der Erde um die Sonne

43 Ergebnisse ein solches Signal wurde als 3 prozentige Schwankung der Wechselwirkungsrate gefunden WIMPs mit 60 GeV? Für höhere Nachweisgenauigkeit ist Rauschen noch zu groß

44 CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) Germanium-Detektor in alter Mine in USA - Rückstoßenergie über Temperaturerhöhung bestimmt - Untergrund kann von WIMP-Ereignissen durch die zusätzliche Messung der Phononen effizienter unterschieden werden erste Messungen scheinen Ergebnisse von DAMA zu widerlegen

45 Zusammenfassung Universum scheint aus einem Cocktail von Bestandteilen zu bestehen: Neben der dunklen Energie dominiert die nicht-baryonische Materie, welche sich vornehmlich aus kalter dunkler Materie mit einem Schuss Neutrinos zusammensetzt. Die uns bekannte baryonische Materie stellt nur einen Bruchteil des gesamten Universums dar. Durch Erhöhung der Empfindlichkeit ( mehr Detektormasse) und bessere Unterdrückung des Untergrundes ( mehr Schirmung) sollen die Experimente in Zukunft mehr und genauere Daten liefern.,,If it's not DARK, it doesn't MATTER. Anonymus

46 Literatur H.V.Klapdor-Kleingrothaus/A.Staudt Teilchenphysik ohne Beschleuniger H.V.Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber Teilchenastronomie Spektrum der Wissenschaft Gravitation C.Grupen Astroteilchenphysik Internet


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