Astrophysik & Teilchenphysik Dunkle Materie im Universum Dunkle Materie bei TESLA TESLA Achim Stahl DESY Zeuthen Potsdam – 16. Jun. 2004

Astrophysik & Teilchenphysik DESY Zentrum für Teilchenphysik

Inhalt Dunkle Materie im Universum SUSY: Ein teilchenphys. Modell dunkler Materie Das TESLA-Projekt

Dunkle Materie

Rotationskurven von Galaxien Rotationsgeschwindigkeit v2 = GN M / r bei großem Radius Messung: Dopplerverschiebung von Spektrallinien

Rotationskurven von Galaxien Dark Matter Halo: ρ ~ 1/r2 80 – 90% der Galaxie

Was ist Dunkle Materie I: Nicht leuchtende baryonische Materie leichte Kerne: Wasserstoff, Helium, etc. Exotische, schwach ww. Teilchen Hot Dark Matter: relativistische Teilchen Cold Dark Matter: nicht-relativistische Teilchen Dunkle Materie

? Baryonische Materie Unbekannt: Himmelskörper kleiner als Sterne: Planeten, Zwerge  MACHO: MAssive Compact Halo Object ? Gas Staub Planeten Sterne Galaxien Haufen Nachweis durch Absorption Nachweis durch Lichtemission

Helligkeitsvariation MACHOs Sterne in der gr. magellanschen Wolke MACHOs im Halo der Milchstraße MACHOs nachgewiesen aber <20% des Halos Helligkeitsvariation auf der Erde

Baryonische Materie Gibt es Objekte zwischen Staub und Planeten im Universum? Gas Staub Planeten Sterne Galaxien Haufen Nachweis durch Absorption Nachweis durch Lichtemission z.B. verschwundene Kopien des ‘Astrophysical Journal’ ?

Fusion im frühen Universum Entstehung der Elemente Fusion im frühen Universum (t = 4…10 min) Baryonendichte bestimmt die Fusionsraten ρBaryon < 0.046 ρcrit.

Strukturbildung im Universum ≤ 380 000 Jahre Plasma: e, p, n, γ Dichtefluktuationen Strahlungsdruck Gravitation balanciert  dynamische Gleichgewicht

Strukturbildung im Universum 380 000 Jahre Rekombination H-Atome, γ Dichtefluktuationen Gravitation Hintergrundstrahlung: Abbild der initialen Fluktuation Gravitation verstärkt Fluktuationen zu makroskopischen Strukturen

Strukturbildung im Universum 380 000 Jahre Rekombination H-Atome, γ Dichtefluktuationen Hintergrundstrahlung: Abbild der initialen Fluktuation Gravitation verstärkt Fluktuationen zu makroskopischen Strukturen

Strukturbildung im Universum II v≈c eher unwahrscheinlich ! Hot Dark Matter Gravitation verstärkt Dichtefluktuationen zu großräumigen Strukturen HDM entweicht aus kleinen Fluktuation Zunächst werden nur große Fluktuation verstärkt Universum kühlt sich ab HDM wird nichtrelativistisch Nun können auch kleiner Fluktuationen verstärkt werden

Neutrinomassen Oszillationen m22 – m12 ≈ ( 9 meV)2 Direkte Messung m(νe) < 3 eV m(νμ) < 190 keV m(ντ) < 18 MeV Hot Dark Matter: m(ν) = 20 … 60 eV

Suche nach WIMPs Cold Dark Matter Weakly Interacting Massive Particles Nachweis in Untergrundlabors: - Ionisation - Thermische Ausdehnung annual modulation of spectrum

Suche nach WIMPs Signal von DAMA Widerspruch von CDMS Situation unklar

Zusammensetzung des Universums Zusammenfassung: Dunkle Materie Zusammensetzung des Universums (relative zu ρcrit.) total: 1.02 ± 0.02 dunkle Energie: 0.73 ± 0.04 Materie: 0.27 ± 0.04 darunter: Baryonen: 0.044 ± 0.004 Sterne: ≈ 0.004 MACHOs: < 0.05 Neutrinos: ≥ 0.001, ≤ 0.18 WMAP Plus dunkle Materie

Zusammenfassung: Dunkle Materie Baryonen: Keine Kandidaten Probleme mit Elemententstehung Hot Dark Matter: Neutrinos als Kandidaten ausgeschlossen Probleme mit Strukturbildung Cold Dark Matter: Passt zu allen Astro-Daten Viele Teilchen-Modelle bieten Kandidaten an Exp. Suche bisher erfolglos Dunkle Materie

Dunkle Materie ... ... in der Teilchenphysik

Bsp.: Supersymmetrie

Supersymmmetrie gebrochen Teilchenspektrum Fermionen  Bosonen Bosonen  Fermionen Supersymmmetrie gebrochen m(X) ≠ m(X) ~

Motivation 1: Hierarchie Problem  Higgsmasse Elektronenmasse f H e ~ δmH ≈ 1020 GeV Elektronenmasse  Strahlungskorrekturen δme ≈ 0.2 me m = (m0 – δm) e f ~ H δmH ≈ -1020 GeV δmH ≈ 6 (Λ/v)2 (mH2 + mZ2 + 2 mW2 – 4 mf2) mH = 393700892143073389415 GeV - 393700892143073389265 GeV

Vereiningte Wechselwirkungen Motivation 2: Vereiningte Wechselwirkungen An der GUT Skala werden elektromagnetische WW schwache WW starke WW gleich stark Ideen zur Vereinigung mit Gravitation enthalten Supersymmetrie

Motivation 3: Dunkle Materie

SUSY Phaenomenologie R-Parität = +1 R-Parität = -1 In den meisten Modellen: R-Paritäts-Erhaltung (Das Produkt der R-Paritäten aller beteiligten Teilchen ändert sich nicht.)

Teilchenerzeugung e- e+ R-Parität = +1 R-Parität = +1 Produkt R-Parität: +1

Teilchenerzeugung R-Parität = +1 e+ e- γ Produkt R-Parität: +1

Teilchenerzeugung μ+ μ- γ ~ ~ R-Parität = -1 R-Parität = -1 Produkt R-Parität: +1

Teilchenzerfall ~ ~ χ+  χ02 e+ -1 -1 +1 Produkt R-Parität: -1

Teilchenzerfall ~ ~ χ+  χ02 e+ ~ μ+ μ- -1 -1 +1 Produkt R-Parität: -1

Teilchenzerfall χ+  χ02 e+ μ+ μ- χ01 μ+ ~ ~ ~ Produkt R-Parität: -1 χ01 μ+ -1 +1 Produkt R-Parität: -1

Teilchenzerfall χ+  χ02 e+ μ+ μ- χ01 μ+ ~ ~ ~ Lightest Supersymmetric -1 χ01 μ+ Lightest Supersymmetric Particle stabil -1 Produkt R-Parität: -1

 Kandidat für Dunkle Materie Eigenschaften des LSP Wechselwirkungen Gravitation Schwache WW Starke WW Elektromagn. Kraft ja ! ja, aber sehr schwach nur, falls q oder g ~ nur, falls geladen  Kandidat für Dunkle Materie mLSP = 100 … 600 GeV

SUSY @ TESLA Zweifelsfreier Nachweis Bestimmung der Massen Lebensdauer Gluino s-quarks s-leptons Neut./Charginos Higgs Zweifelsfreier Nachweis Bestimmung der Massen Lebensdauer Wirkungsquerschnitte Spin / Parität etc.

Das Projekt TESLA Achim Stahl DESY Zeuthen Potsdam – 16. Jun. 2004

Beschleunigeranlage

33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

Ringbeschleuniger LEP: Emax 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km Energieverlust: LEP ΔE = 2.7 GeV 100 MW oder 15000 SFr/h

Linearbeschleuniger Schwerpunktsenergie: 50 bis 800 GeV Aber: 100 MW Ringbeschleuniger 500 GeV: R = 120 km 800 GeV: R = 800 km Aber: recycled beam Trefferwahrscheinlichkeit LEP-I: 1 10-19 pro Kollision TESLA: 5 10-13 pro Kollision  Strahlquerschnitt: 550 nm x 5 nm

Der TESLA Detektor ähnelt einem LEP Detektor …

Der TESLA Detektor Auflösung Impuls 1/10 LEP Impaktparameter 1/3 SLD Jet-Energie 1/2 LEP

SUSY @ TESLA ~ χ0 μ+ e+ e- μ- μ: 146.00 ± 0.11 GeV ~ e+e-  Z0  μ+μ- ~ ~ Kinematische Endpunkte  Massen μ: 146.00 ± 0.11 GeV χ: 100.02 ± 0.08 GeV ~ 1 Jahr @ √s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 %

Suche nach dem LSP ~ χ0 μ+ μ+ ~ μ+ γ e- e+ e- e+ ~ μ- ~ χ0 μ- μ- e+e-  Z0  μ+μ- ~ ~ μ+ μ+ μ- e- e+ γ Untergrund e+e-  Z0  e+e- μ+μ- μ+ ~ e+ e- μ- ~ χ0 ~ μ- Signal

Beam-Strahlung Beam-Strahlung - + TESLA Kollision Größe: 5 nm x 550 nm x 300 μm Enorme elektrische Felder  starke Anziehung der Teilchen im bunch Erhöhung der Luminosität (pinch-Effekt, ca. Faktor 2) Starke Abstrahlung: Beam-Strahlung, ca. 100 TeV pro Seite

Vorwärtskalorimeterie

BeamCal Sampling-Kalorimeter Wolfram-Absorber + Sensorlagen

Signal: 250 GeV Elektron

Untergrund: Beam-Strahlung

Signal + Untergrund

Untergrundsubtraktion nach Untergrundsubtraktion Computersimulation zeigt Identifikation möglich

Technologieentwicklung Diamantsensoren: Ausgezeichnete Strahlenhärte Verunreinigungen und Kristallgrenzen ‘schlucken’ Ladung Homogenität

TESLA Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität verspricht Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität Technologische Herausforderungen Spannende Teilchen- und Astrophysik

TESLA STAND

3 Projektvorschlaege DESY/Hamburg Supraleitend, 1.3 GHz USA (FermiLab) normalleitend S-Band 11.4 GHz Next Linear Collider Japan (KEK) normalleitend S-Band 11.4 GHz Japanese Linear Collider

Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP Aktueller Stand Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP (ACFA / HEPAP / ECFA) März 2001: TESLA Technical Design Report Dez. 2002: Empfehlung durch den WR Feb. 2003: BMBF internationale Einigung abwarten Ende 2004: Wise Persons Technologieempfehlung 2006/2007: Standortentscheidung / Genehmigung ≈ 2015: Experimentierbetrieb

Hoffentlich bald Danke ….

Power Consumption

XFEL Standort

Energie-Fluss Messung Rekonstruktion der Partonimpulse Jet-Energie 60% geladene Teilchen 30% Photonen 10% neut. Hadronen Ideal: ΔE/E = 15%/√E aber Überlapp / Miss-ID erwartet: ΔE/E = 30%/√E e+e-  Z0 H H  qq bb bb

Energie-Fluss Messung Massenrekonstruktion: e+e-  νν WW e+e-  νν ZZ TESLA LEP

LHC + TESLA brauchen einander: Rekonstruktion der fundamentalen Theorie s-Fermionen 1. Gen. s-Fermionen 3. Gen. Gaugino TESLA TESLA LHC wenige Naturkonstanten 105 Parameter Massen

Zwei starke Partner: Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLA Studium der Mechanismen Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLA

LHC + TESLA ergänzen sich: q, g: hoher WQ; ‘einfach’ nachweisbar l: WQ sehr klein; kaum nachweisbar typisches SUSY Massenspektrum GeV 700 600 500 400 300 200 100 Higgs s-Leptonen χ0 χ± s-quarks TESLA q, g: meist ausserhalb der des Massenbereiches l: einfach nachweisbar; präzise zu vermessen

SUSY @ LHC Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV ~ ~ Typische Zerfallskette Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV m(g) – m(b2): 63.9 ± 2.4 GeV ~ ~ ATLAS 3 Jahre High Lumi

LHC + TESLA brauchen einander: LHC: Massendifferenzen  starke Korrelationen TESLA liefert Massenskala LHC LHC + TESLA g 8.0 6.4 qL 8.7 4.9 qR 11.8 10.9 b1 7.5 5.7 b2 7.9 6.3 ~ ~ ~ ~ ~

TESLA + LHC Untersuchen unterschiedliche Aspekter neuer Phänomene Erst gemeinsame Analysen zeigen das ganze Bild Nur mit zeitlichen Überlapp lassen sich die Projekte voll ausnützen Beispiel: Supersymmetrie