Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13

Präsentation zum Thema: "Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13"—  Präsentation transkript:

1 Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13
Dunkle Materie: Kurze Einführung Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13

2 Die heutige Teilchenphysik

3 Das Standardmodell H Higgs …und Antimaterie

4 Das Standardmodell Ursprung der Massen?
elektromagnetische Kraft (Photon) H Higgs Atomkerne starke Kraft (Gluon) schwache Kraft aus radioaktiven Zerfällen HIGGS BOSON Atomhüllen Ursprung der Massen?

5 Der Urknall im Labor

6 Der LHC Beschleunigerkomplex

7 Der LHC Beschleunigerkomplex
27 km Umfang Kollisionen von 4 TeV Protonen t  50 ns zwischen Paket-Kollisionen 20 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision

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

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

10 Supraleitende Doppel-Dipolmagnete im LHC-Tunnel
L  15 m, M  30 t, B  8,33 T Magnetische Energie: 10 GJ Temperatur: 1,9 K Kühlung: superfluides Helium 170 4,5 K 93 Tonnen Helium-Vorrat 40000 t kalte Masse im Tunnel

11 CERN Control Centre

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

13 CERN 4. Juli 2012

14 Ereigniskandidat: H →  

15 Masse ( ) - Verteilung
ATLAS CMS

16 Wissen wir damit schon viel?

17 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%!

18 Evidenz für die Existenz von Dunkler Materie

19 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

20 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

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

22 Folgerungen (I) DM-Teilchen
senden keine elektromagne-tische Strahlung aus, sind elektrisch neutral, spüren keine Kernkraft. DM-Teilchen unterliegen der Gravitationskraft und eventuell anderen “schwachen” Wechselwirkungen

23 The Sloan Digital Sky Survey
2 Milliarden Lichtjahre Deklinations-winkel 1.251.25 Folgerung (II): Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!

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

25 Theorie 1: 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

26 mikroskopisch kompaktifizierte Zusatzdimension(en)
Theorie 2: Zusatzdimensionen (Kaluza Klein Anregungen) mikroskopisch kompaktifizierte Zusatzdimension(en) 3-D-Raum Standard-Teilchen Keine Quantenanregung in Zusatzdimension(en) Kaluza Klein Anregungen zunehmende Masse WIMP  leichteste (neutrale, stabile) Kaluza Klein Anregung

27 Wie sucht man Dunkle Materie?
indirekte Suche Wechselwirkung (jenseits Standardmodell) SM-Teilchen WIMP direkte Suche LHC

28 1. WIMP-Suche 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.

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

30

31 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

32 Direkte WIMP-Suche weltweit

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

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

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

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

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

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

39 Positronen durch kosmische Strahlung
Positron-Anomalie von PAMELA PAMELA-Satellit ? WIMP-Annihilation? Astrophysikalische Positron-Quelle (naher Pulsar)? Positronen durch kosmische Strahlung

40 H. Kolanoski Humboldt-Universität
IceCube Neutrino-Detektor am Südpol H. Kolanoski Humboldt-Universität

41 Neutrino- Nachweis Wechelwirkung Detektor Myon Neutrino

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

43 Höchstenergetische Gammastrahlung
Fermi-Satellit Höchstenergetische Gammastrahlung H.E.S.S. Cherenkov-Teleskop Khomas Hochland, Namibia

44 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

45 Molekülwolken Dichteprofil
TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum ...Punktquellen subtrahiert erste aufgelöste Detektion diffuser TeV--Strahlung Kosmische Strahlen wechselwirken in Molekülwolken Molekuelwolken Molekülwolken Dichteprofil HESS J1745290 Schwierig: viele astrophysikalische Gamma-Quellen!

46 Gammastrahlung vom galaktischen Halo
Fermi-Bubbles Zentrum

47 Gammastrahlung vom galaktischen Halo
NASA's Goddard Space Flight Center

48 Gamma-Linien aus den Fermi Bubbles?
M. Su, D.P. Finkbeiner, arXiv: v1 [astro-ph.HE] WIMP WIMP →  Z WIMP WIMP →   MWIMP  130 GeV galaktische Länge 5  galaktische Breite  5

49 Fazit Neues Boson (125 GeV) entdeckt! Higgs-Teilchen? 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. Wir leben in einer spannenden Zeit! Wie spannend, soll das Seminar zeigen!