Die Entdeckung Dunkler Materie Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Die Entdeckung Dunkler Materie Marco Sauer 02.07.2010

Die Entdeckung Dunkler Materie Gliederung I. Hinweise auf Dunkle Materie - Rotationskurven von Galaxien - Gravitationslinsen - Kollision zweier Galaxiencluster II. Was ist Dunkle Materie? - Mögliche Formen von Dunkler Materie - WIMPs III. Indirekte Nachweismethoden - Gammasatelliten - EGRET auf CGRO - Fermi IV. Direkte Nachweismethoden - Edelweiss 02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Erster Hinweis auf Dunkle Materie 1933 durch Fritz Zwicky beobachtet hohe Geschwindigkeiten einzelner Galaxien im Coma-Galaxienhaufen postuliert Existenz einer nichtleuchtenden Form von Materie Virialsatz: (gilt für ein abgeschlossenes Vielteilchen- system im mechanischen Gleichgewicht) 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Erwartung: Die Rotations- geschwindigkeit nimmt außerhalb des galaktischen Kerns mit dem Abstand ab. Beobachtung: Die Rotations- geschwindigkeit bleibt außerhalb des galaktischen Kerns in etwa konstant. 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Erklärung: Eine Galaxie ist in einen sphärischen Halo von Dunkler Materie eingebettet. Dunkler Materie Halo: - Masse nimmt linear mit dem Radius zu - Anteil von 80 – 90% an der Gesamtmasse der Galaxie 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Gravitationslinsen Gemäß der ART wird Licht durch ein Gravitationspotential abgelenkt. Der Ablenkwinkel ist direkt mit der Masse verknüpft, die das Potential bildet. 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster) Die Kollision zweier Galaxien- cluster hat unterschiedliche Auswirkungen auf Dunkle Materie und Baryonische Materie: Dunkle Materie: im Prinzip wechselwirkungsfreies Durchdringen Baryonische Materie: starke Wechselwirkung Blau: Dunkle Materie (Nachweis durch Linseneffekte) Rot: heißes Gas (Nachweis durch Röntgenstrahlung) 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

I. Hinweise auf Dunkle Materie Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster) 02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie

II. Was ist Dunkle Materie? Mögliche Formen von Dunkler Materie a) Kalte baryonische Dunkle Materie - kalte Gaswolken/Staubwolken (Problem: Emission von Infrarotstrahlung) - weiße/braune Zwerge; Planeten b) Heiße Dunkle Materie - Neutrinos Problem: Gesamtmasse der unter a) und b) aufgeführten Materiearten zu klein um beobachtete Effekte zu erklären c) Kalte Dunkle Materie - 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMPs Eigenschaften der WIMPs: - massiv - neutral - schwach wechselwirkend (Paarbildung und Annihilation) - bekannter Annihilationsquerschnitt (falls thermische Relikte aus dem frühen Universum) 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMP-Entkopplung - bei hohen Temperaturen herrscht thermisches Gleichgewicht und es gilt: - für T < M gilt: - sobald die Expansionsrate die Annihilationsrate übertrifft, bleibt die Teilchendichte der WIMPs konstant 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMP-Dichte Abschätzung der WIMP-Dichte über die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Milchstraße: Unter der Annahme einer WIMP-Masse von 100 GeV erhält man ein WIMP-Teilchen pro 100 . „1 WIMP / coffee cup“ 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMP-Teilchenkandidaten Eine große Klasse hoffnungsvoller WIMP-Teilchenkandidaten liefert die Supersymmetrie (SUSY). Supersymmetrie Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen und Fermionen ineinander transformiert SUSY-Operator Q mit Spin 1/2 Minimal mögliche Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik: MSSM (Minimales Supersym- metrisches Standard Modell) (120 neue physikalische Parameter! -> LHC?) 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMP-Teilchenkandidaten Hoffnungsvollster WIMP-Kandidat: LSP (Lightest Supersymmetric Particle) Geforderte Eigenschaften: - stabil - neutral Neutrale supersymmetrische Teilchen: - Sneutrinos (s=0) - Gravitinos (s=3/2) - Gauginos ( neutrale SUSY-Kraftteilchen mit s=1/2) - Higgsinos 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

II. Was ist Dunkle Materie? WIMP-Teilchenkandidaten Die neutralen Gauginos (Photino und Zino) sind Flavour-Eigenzustände, aber keine Masseneigenzustände. Die gesuchten Masseneigen-zustände sind die Neutralinos. Neutralinos Mischung der neutralen Gauginos und der Higgsinos Flavour-EZ Massen-EZ LSP 02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie?

III. Indirekte Nachweismethoden Indirekter Nachweis von Dunkler Materie Ein indirekter Nachweis von Dunkler Materie ist über den Nachweis von sekundären Teilchen aus WIMP-Annihilationsprozessen möglich (z.B. Antiprotonen, Positronen, Neutrinos, Gamma-Strahlung) Vorgehensweise: Beobachtung von sehr dichten Bereichen des Universums, um hohe Annihilationsrate zu erhalten Problem: Unterscheidung von WIMP-Signal und Untergrund gestaltet sich schwierig möglicher Zerfall: 02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden

III. Indirekte Nachweismethoden Gammasatelliten - CGRO CGRO – Compton Gamma Ray Observatory EGRET – Energetic Gamma Ray Experiment Telescope Ziel: Katalogisierung von Gamma-Quellen Parameter: Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung Energieintervall 20 MeV - 30 GeV Energieauflösung ~ 20% Winkelauflösung 0.08 - 0.5° effektive Fläche 1500 Datennahme 1991-2000 02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden

III. Indirekte Nachweismethoden Gammasatelliten - CGRO Ergebnis von EGRET: signifikanter Gamma-Überschuss ab einer Gamma-Energie von 1 GeV Mögliche Erklärungen: - Variation der Intensität und des Energiespektrums der kosmischen Strahlung - Überschuss an Gamma-Quanten durch WIMP-Annihilation 02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden

III. Indirekte Nachweismethoden Gammasatelliten - CGRO 02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden

III. Indirekte Nachweismethoden Gammasatelliten - Fermi Fermi Gamma-ray Space Telescope: Nachfolgesatellit des CGRO Parameter: Ergebnis: Bestätigung des Gamma-Überschusses, aber immer noch keine eindeutigen Hinweise auf WIMP-Annihilation (-> AMS?) Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung Energieintervall 20 MeV - 300 GeV Winkelauflösung ~ 0.02° effektive Fläche 1 Datennahme seit 2008 02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden

IV. Direkte Nachweismethoden Direkter Nachweis von Dunkler Materie Ein direkter Nachweis von Dunkler Materie ist über eine elastische WIMP-Kern-Streuung möglich. Die Beobachtung des Rückstoßkerns liefert Erkenntnisse über der Eigenschaften des WIMP-Teilchens. Geignete Nachweismethoden: - Phononen - Szintillation - Ionisation 02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden

IV. Direkte Nachweismethoden Übersicht der Experimente 02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden

IV. Direkte Nachweismethoden Edelweiss Edelweiss – Expérience pour détecter les WIMPs en Site Souterrain Das Experiment befindet sich im Mondane Untergrund Labor, um störende Einflüsse (z.B. Neutronen, Myonen) abzuschirmen. Messprinzip des Halbleiter-Bolometers: Die elastische Streuung eines WIMP-Teilchens an einem Germanium-Kern führt zu dessen Rückstoß. Dieser wiederum bewirkt eine Temperaturerhöhung und eine Ionisation des Kristalls. 02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden

IV. Direkte Nachweismethoden Edelweiss-Ergebnisse 02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden

Die Entdeckung Dunkler Materie Quellen Hooper - „Dunkle Materie“ Klapdor-Kleingrothaus / Zuber - „Teilchenastrophysik“ Prof. G. Drexlin - Vorlesung „Astroteilchenphysik I“ Prof. W. de Boer - Vorlesung „Einführung in die Kosmologie“ www.wikipedia.org 02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie