Evidenz für dunkler Materie Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik Christian Pabst

Inhaltsverzeichnis Phänomene Rotationskurven von Spiralgalaxien Bewegung in Galaxiehaufen Heißes Gas in Galaxie Clustern Effekte durch Gravitationslinsen CMB Erklärung der DM Baryonische Materie (MACHO) Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrinos Kalte Dunkle Materie (CDM) WIMPs (LSP, primordiale BH) Axionen MOND (Modified Newton Dynamics) Zusammenfassung

Rotationskurven von Spiralgalaxien Aus Stabilität der Planetenbahnen Fehlende Masse Aus Messungen v(r) = konst.

Rotationskurven von Spiralgalaxien => Halo mit HALO HALO ca. 90% der Galaxie

Galaxienhaufen Bewegung in Galaxienhaufen Virialsatz  10 mal mehr Masse als sichtbar

Röntgenstrahlung von Gasen Röntgenstrahlung durch heißes Gas schnelle Gasteilchen Massenbestimmung des Galaxienhaufen weil Gas an Galaxienhaufen gebunden M > MVIS Der Galaxienhaufen Abell 3528

Gravitationslinsen M > MVIS Massereiche Objekte führen zur Krümmung des Raums (allg. Relativitätstheorie) Die aus der Krümmung errechnete Masse M > MVIS Verzerrung durch Galaxienhaufen Abell 2218

CMB Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen Planck-Spektrum COBE Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen bester fit mit ΛCDM: Ω0= 0,99±0,12, Ωm = 0.3, ΩΛ = 0,7

Baryonische Materie Sichtbare Masse Aufnahme von D/H Radiowellen von einem Quasar Aus Nukleosynthese (für H0 = 70 km s-1 Mpc-1) Dunkle Materie in HALOS (für H0 = 50 km s-1 Mpc-1)

Zusammensetzung der Galaxie bzw. Universum H(t) = Hubbel Konstante

MACHOs M Zwerge 0,08 MS Gasmasse die IR strahlt zu wenig Strahlung gemessen kein Kandidat für DM

zu wenig Zeit für Entwicklung  kein Kandidat für DM MACHOs Weiße Zwerge 0,5 – 1,2 MS zu wenig Zeit für Entwicklung  kein Kandidat für DM                                                                                                                                                                           Planetarischer Nebel NGC 2440 im Sternbild Puppis

MACHOs Neutronensterne Schwarze Löcher 1,4 MS 109 MS Anzahl der schweren Elemente begrenzt die Anzahl der NS und BH  Kein Kandidaten für DM Dieses Bild der Galaxie Pictoris A zeigt den Jet eines Schwarzen Loches 'in Echt'. Das Bild oben wurde im Bereich der Röntgenstrahlung vom Chandra X-ray Weltraum-Observatorium der NASA erstellt. Oben rechts trifft der Jet auf eine Gaswolke, die er zum Leuchten anregt. Der Pulsar im Krebsnebel (Pfeil). Er rotiert 30 mal pro Sekunde.

MACHOs Braune Zwerge >0,08 MS rel. hohe Dichte und wenig IR 20% von Halo mit –12% - 30% Fehler  Kandidat für DM Begleiter des hellen Sterns Epsilon Indi im Sternbild Indus (Indianer)

Masseanteil zur Sonne zu gering MACHOs Planten + Kometen Masseanteil zur Sonne zu gering  Kein Kandidat für DM Kometen Hale-Bopp Jupiter

Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrinos lange heißer Kandidat für DM Abschätzung Neutrinomasse Weiter Einschränkung durch Galaxiebildung Mit Neutrinos als Fermi-Gas bei T = 0K mit

Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrino-Absorption Wenn leicht Neutrinos den gal. HALO anfüllen, dann scharfe Absorptionslinien für höchstenergetische Neutrinos Hadronen und Leptonen Argumente gegen Neutrinos Exp. Bestimmung der Neutinomasse (Tritium-ß-Zerfall) mνe< 1eV Neutrino - Oszillationen

Heiße Dunkle Materie (HDM) Entstehung des Universums „top-down“-Szenario Bildung von Strukturen durch Quantenfluktuation krit. Masse für Bildung von Strukturen bei 1016 Sonnenmassen mit Neutrinos (m = 20eV)  Größe von Superhaufen nötig  Erst Superhaufen dann Galaxien „top-down“-Szenario Aus Messung , darum Neutrinos kein Kanditat für DM  „bottom-up“-Szenario favorisiert  CDM Durch CMB-Messung (COBE) bestätigt

Supersymmetrie Probleme des SM: Hierarchie Problem: wieso ist MW\MP≈10-17 Natürlichkeitsproblem m2H = m2H;0+O(Λ2) nackte Masse Selbstenergie Lösungsansätze: GUT, SUSY, String-Theorie, usw. a1 zu U1, a2 zu SU2, a3 zu SU3

Supersymmetrie Higgs Boson Eich Boson Einführung von Loop Korrekturen

Supersymmetrie SUSY-Algebra Die SUSY Algebra enthält Pμ, Raum-Zeit Translationen. Aus der Eichinvarianz unter dieser Transformation folgt die Einsteinsche Theorie der Gravitation. (SUGRA) |A > wird durch supersymmetrische Transformationen in |B > überführt Superpartner haben die gleiche Masse Superpartner haben dieselben Eichquantenzahlen (Ladung, schwacher Isospin, Farbe, Masse) Repräsentanten der SUSY sind Supermultipletts

Supersymmetrie MSSM  minimale Anzahl neuer Teilchen und WW

R-Parität Particles (SM) = 1, Sparticles(SUSY) = -1 Keine Mischung zwischen PR = 1 und PR = -1 Teilchen Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt werden Jeder Wechselwirkungsvertex muss eine gerade Anzahl (normal 0 oder 2) PR=-1 Sparticles haben. Ein schweres supersymmetrisches Teilchen kann in Leichtere zerfallen Das leichteste Sparticle (LSP) muß stabil sein Jedes Sparticle außer das leichteste zerfällt in einen Zustand mit einer ungeraden Anzahl LSP (normal 1) Supersymmetrische Teilchen sollte man daran erkennen können, dass viel Energie fehlt, die vom LSP weggetragen wird.

LSP Neutralino: Die neutralen fermionischen Partner der neutralen Eichbosonen W*0 und B*0 mischen mit den neutralen fermionischen Partnern vom Higgs-Boson H*01;2. Die vier Neutralinos (χ*0i) sind Eigenzustände der Diagonalisierten Massenmatrix

LSP Es gilt: M χ1 <M χ2 <M χ3<M χ4 Das Neutralinos (χ*00) ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP), solang R-Parität erhalten und Gravitino nicht leichter. Idealer Kandidat für CDM

primordiale schwarze Löcher schweres WIMPs  wäre guter Kandidat für CDM m = 1018 g oder 10-15mS r = 10-12 m ρ = 1048 g/cm3 Entstehung: spontanen Symmetriebrechungen eines Skalarfeldes im Frühphase des Universums kollabierte Gravitationswellen, die super-kritischen Brill- Wellen Akkretion durch Mini–Löchern (pri. BH)  Saatkörner für Galaxien (spekulativ) Zerfall: Quanteneffekte  Löcher würden schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung)

Axionen γ γ CP Verletzung bei K0-Zerfall QCD existieren Terme,in der starken WW, die CP verletzend sind Fürs Neutron: elekt. Dipolmoment = magnetische Dipolmoment (starkes CP-Problem) Erklärung: zusätzlich Felde und Symmetrien (Peccei Quinn Symmetrie UPQ(1) ), die bei einer Skala fa spontan gebrochen wird  Pseudo-Goldstone Boson  Axions Kopplungen des Axions sind proportional zu 1/fa, sehr schwach Zwei Photonen Kopplung (ähnlich π0) A γ Feld A γ

Axionen Masse der Axione über Zerfallskonstante fa ,Vakuumserwartungswert eines Higgsfeldes, bestimmt. Man kann sich folgende Grenzen für die Masse der Axionen überlegen: Bei m ≈ 1 keV würde die Sonne durch Emission von Axionen zu viel Energie verlieren und zu schnell abkühlen. Bei m > 10-2 eV könnte das Heliumbrennen in roten Riesen nicht einsetzen. Aus der Breite des Neutrinopulses der Supernova SN 1987A ergibt sich eine m < 10-3 eV Damit die Axionendichte der kritischen Dichte des Universums entspricht, m ≈ 10-5eV ρ = 1010 Teilchen pro cm³ 10-5eV < mA < 10-3eV Problem: noch nicht nachgewiesen

MOND Modified Newton Dynamics

Zusammenfassung Universum besteht aus: Galaxie besteht aus: Aussichtreichster Kandidat für DM B Zwerge LSP