Dunkle Mächte im Weltall Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014

Phase 1: Fortschritt (ein Beispiel)

Struktur der Materie (Empedokles et al., ≈ 500 v.Chr.) sehr erfolgreich viele Anwendungen … etwas grob

Struktur der Materie (Mendelejev, Meyer, 1869) Grundlage der modernen Chemie … aber subatomare/subnukleare Phänomene?

Struktur der Materie (CERN et al., 2012) H Higgs Materie Kraftfelder Skalarfeld (→ Massen)

CERN 4. Juli 2012 Standardmodell der Teilchenphysik komplett! → EierlegendeWollmilchSau? Physik „fertig“?

Phase 2: Frustration

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%!

Phase 3: Faszination

Messung der Expansion des Weltalls mit Standardkerzen Dunkle Energie Messung der Expansion des Weltalls mit Standardkerzen Galaxie NGC 4526 Ia-Supernova 1994D sichtbare Helligkeit  Entfernung Rotverschiebung  Geschwindigkeit

Ergebnis: Expansionskurve des Weltalls beschleunigte Expansion  negativer Vakuumdruck (dunkle Energie) kosmologische Konstante? neue Skalarfelder? ?????????????????????? Ausdehnungsskala gebremste Expansion  Massenanziehung der (dunklen) Materie Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase Urknall Jetzt Milliarden Jahre

bremst Expansion des Alls Dunkle Materie bremst Expansion des Alls sie ist unsichtbar aber nicht unspürbar

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, 2.5.2010, Dean Rowe

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

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

(Beispiel: Dunkle Materie) Phase 4: Forschung (Beispiel: Dunkle Materie)

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

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

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

Idee: 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

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

1. WIMP-Suche am LHC (CERN)

Der LHC Beschleunigerkomplex LHC ab 2015: 27 km Umfang Kollisionen von 6,5…7 TeV Protonen t  25 ns zwischen Paket-Kollisionen 40 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision

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

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

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

WIMP-Erzeugung 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.

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

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

Direkte WIMP-Suche weltweit

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

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

Resultate liefern noch kein konsistentes Bild… positive Signale beste Obergrenze

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

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

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

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

IceCube Neutrino-Detektor am Südpol

Neutrino- Nachweis Wechelwirkung Detektor Myon Neutrino

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

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

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

Gamma-Linien aus dem Galaktischen Zentrum? C. Weniger, JCAP 1208 (2012) 007 WIMP WIMP →   MWIMP  130 GeV

Phase 5: Fun …zurück zu Phase 1 von hier…

Es bleibt super-spannend. Keep tuned ! Fazit Mit Higgs-Teilchen ist erstes Skalarfeld entdeckt 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. Es bleibt super-spannend. Keep tuned !

Forschung Faszination Fun Physik macht Spaß Frustration Fortschritt