Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Gliederung 1 Dunkle Materie 1.1 Heiße DM 1.2 Kalte DM 2 Weakly Interacting Massive Particles 3 Supersymmetrie 4 Suche nach der DM, LSP 4.1 R-Parität 5 Supergravitationsmodell 6 LSP in Teilchenbeschleunigern, Massenspektren 7 Ausblick -- Fazit

1 Dunkle Materie Motivation Rotationsverhalten der Galaxien Gravitationsverhalten der Galaxien

1 Dunkle Materie

1.1 Heiße Dunkle Materie Eigentliche Kandidaten für DM: Neutrinos als Kandidat für heiße dunkle Materie Aber: Elektron-Neutrino-Masse, Obergrenze mνe < 2,3 eV

1.2 Kalte Dunkle Materie Mögliche Kandidaten W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles) Axione Supersymmetrische Teilchen Massive, elektrisch neutrale, schwach wechselwirkende Materie, die stabil sein muss

2 WIMPs (1): Frühes Universum: Hohe Dichte bei hoher Temperatur – WIMPs im thermischen Gleichgewicht (2): Inflationäres Universum, Abkühlung, Dichte der WIMPs durch Paarvernichtung verringert Boltzmann-Faktor: n~e-m/T (3): Temperatur und Dichte zu gering, dass die Paarvernichtung mit der Expansion mithält

3 Supersymmetrie Erweiterung des Standardmodells Fundamentale Symmetrie, die Fermionen und Bosonen verknüpft Jedem Fermion wird ein supersymmetrisches Boson zugeordnet Jedem Boson wird ein SUSY-Fermion zugeordnet Stabilisiert Higgs-Masse

3 SM und SUSY Superpartner haben unterschiedlichen Spin

3 SM versus MSSM Vereinheitlichung der WW (Kopplungskonstanten) Kräfte sind bei hohen Energien gleich stark α1 : EM-Wechselwirkung α2 : schwache WW α3 : starke WW

4 Suche nach der DM Kandidatensuche für kalte dunkle Materie in SUSY-Teilchen: Higgsino, Photino, Gravitino Wino, Bino, Gluino (Gauginos) Neutralinos und Charginos sind ein Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Teilchen (über Massematrizen)

4 Charginos und Neutralinos ~ Zwei Spin ½ Charginos (χi±) Vier Spin ½ Neutralinos (χi0) Es gilt für die Neutralinomassen: χ10 < χ20 < χ30 < χ40 ~ ~ ~ ~ ~ Dabei ist χ10 der Kandidat für die dunkle Materie Leichteste supersymmetrische Teilchen muss stabil sein→ LSP (Lightest supersymmetric Particle) ~

4.1 R-Parität Bedingung für Stabilität des LSP R-Parität als multiplikative Erhaltungsgröße R = (-1)3(B-L)+2S bzw. R = (-1)3B +L+2S 1 für SM, -1 für SUSY Produktion von Sparticles und Anti-sparticles nur in Paaren möglich Kein Zerfall in „normale Materie“

5 Supergravitationsmodell Bei hohen Energien alle Teilchen mit gleichen Spin massegleich (GUT: Grand Unification Theory) Ziel: Reduzierung der Parameter m0 : Masse der selektron, squarks und Higgs m1/2 : Masse der Gaugino, Higgsino

5 mSugra-Modell ~ Punkt 3: m (χ10 ): 45 Gev Punkt 2: ~ m (χ10 ): ~ Freie Parameter: tan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skala Sign (μ): Higgsino-Massenparameter A0 : Trilinearer Kopplungsfaktor

5 mSugra-Modell Punkt 5 ist für Kosmologie besonders interessant Dichte der DM im vereinbar mit der kritischen Dichte des Universums im mSUGRA-Modell (R-Parität erhalten)

5 LHC Messung an Punkt 5 LSP „unsichtbar“ Cuts an ETmiss führen zur Seperation Indirekter Nachweis des LSP

6 Erzeugung von LSP in Teilchenbeschleunigern Erzeugung durch e+ e- Annihilation Alle Zerfallsprozesse theoretisch möglich Bsp: Bestimmung der Massendifferenz von Neutralinos häufig über χ20 – Zerfälle (Dreikörperzerfall) ~

Massenbestimmug über Dilepton Kaskadenzerfälle Durch Cuts an ETmiss , etc. zeichnet sich eine scharfe Kante für Dileptonenmasse ab mll = 108,93 GeV Vorraussetzung für komplexere Zerfälle

6 Massenspektren verschiedener Modelle

Ausblick -- Fazit Falls Supersymmetrie-Theorie bestätigt, direkter Nachweis und Erzeugung von DM möglich Tieferes Verständnis des frühen Universums

Ausblick -- Fazit Durch Verkoppelung von Fermionen und Bosonen Lösung des Hierarchie-Problems Experimenteller direkter Beweis für SUSY steht noch aus Verletzung der R-Parität ?  zusätzlich 45 Parameter (Yukawa-Kopplungen) LSP: Verständnis von 27 % der Energie im Universum (dunkle Energie ?)

Quellen De Boer, Wim: second int. School of astroparticle physics, Nijmwegen 2006 Heuer, Miller, Richard, Zerwas: Tesla Technical Design Report. Part III. Physics at an e+ e- Linear Collider. 2001 H.V.Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: "Teilchenastrophysik" Kraml, Sabine: Neutralino Dark Matter. Neue Entwicklungen in der Teilchenphysik. 2006 - Martin, Stephen: a supersymmetry primer, DeKalb und Batavia 2006 - Meyer, Arndt: Status und Perspektiven der Supersymmetrie, DPG-Tagung, Dortmund 2006 Polesello, Giacomo: Part 4/3. SUSY Dark Matter and LHC. Sezione di Pavia Tovey, Dan: Measurements of the LSP mass. Prag Atlas Detector and physics performance. Technical Design Report. 1999