Geheimnis der dunklen Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum? 50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008

Thomas Wright (1750), An Original Theory of the Universe

Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend)

Struktur von Spiralgalaxien Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891

Sonnensystem

„Rotationskurve” des Sonnensystems Kepler’sches Gesetz

Galaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen Spiralgalaxie NGC 3198 mit überlagerten Konturen der Wasserstoff-Säulendichte [ApJ 295 (1985) 305] Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Radiobeobachtungen der Wasserstoffbewegung [MNRAS 249 (1991) 523] Beobachtete flache Rotationskurve Erwartet aus Verteilung der leuchtenden Materie

Struktur einer Spiralgalaxie Dunkler Halo Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

Dunkle Materie in Galaxienhaufen Coma Haufen Ein gravitativ gebundenes System vieler „Teilchen” gehorcht dem Virialsatz Geschwindigkeitsmessung durch Dopplereffekt von Spektrallinien Massenabschätzung

Dunkle Materie in Galaxienhaufen 75 Jahre Dunkle Materie Fritz Zwicky: Die Rotverschiebung von Extragalaktischen Nebeln Helv. Phys. Acta 6 (1933) 110

Lichtablenkung durch Gravitation („Gravitationslinse”)

Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen Galaxienhaufen Cl 0024+1654 [Hubble Space Telescope] Numerische Simulation

Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & Röntgen)

Bullet Cluster (1E 0657-56)

Expandierendes Universum und Urknall Hubble’sches Gesetz vExpansion = H0  Abstand Hubble-Konstante H0 = h 100 km s-1 Mpc-1 Messwert h = 0.72  0.04 Expansionsalter des Universums t0  H0-1  14 Milliarden Jahre 1 Mpc = 3.26  106 Lichtjahre = 3.08  1024 cm

Urknall und Expansion des Universums

Hubble Diagramm Supernovae vom Typ Ia als kosmologische Standardkerzen Scheinbare Helligkeit (Entfernung) Hubbles Originaldaten (1929) Rotverschiebung (Fluchtgeschwindigkeit)

Hubble Diagramm - Beschleunigte Expansion Abgebremste Expansion (Normale Materie)

Expansion verschiedener kosmologischer Modelle Zeit (Milliarden Jahre) Nach einer Vorlage von Bruno Leibundgut Kosmischer Skalenfaktor a -14 M = 0 M = 0.3 L = 0.7 -9 M = 1 -7 M > 1 Heute

Neueste Supernova Daten Kowalski et al., Improved cosmological constraints from new, old and combined supernova datasets, arXiv:0804.4142

Einsteins „Größte Eselei” Dichte gravitierender Masse & Energie Krümmungsterm ist sehr klein oder Null (Euklidische Raumgeometrie) Newton’sche Konstante Friedmann Gleichung für Hubbles Expansionsrate Kosmologische Konstante L (neue Naturkonstante) erlaubt statisches Universum durch „globale Antigravitation” Yakov Borisovich Zeldovich 1914-1987 Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich Vakuumfluktuationen Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie Vakuumenergie rvac äquivalent zu L

Nullpunktsenergie der Quantenfelder Energieniveaus des harmonischen Oszillators Nichtverschwindende Nullpunktsenergie wegen Heisenberg’scher Unschärferelation: Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmt und also nicht gleichzeitig exakt Null Elektromagnetisches Feld: E und B nicht gleichzeitig Null wegen Unschärferelation Energiedichte im Grundzustand (Vakuum) ist Summe über unendliche viele Oszillatoren Nominelle Vakuumenergie der Quantenfelder + für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) - für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) Wie zu interpretieren ??? ∞

Casimir Effekt (1948) Eine messbare Manifestation der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes Langwellige Feldmoden zwischen den Platten werden „verdrängt,” so dass dort die Vakuum- energie geringer ist als im freien Raum Hendrik Bugt Casimir (1909 - 2000) Casimir Kraft zwischen parallelen Platten (Abstand d, Fläche A) Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)

Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend)

Periodensystem der Elementarteilchen Quarks Leptonen Ladung +2/3 Up Charm Top Gravitation Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Ladung -1/3 Down Strange Bottom Ladung -1 Elektron Myon Tauon Ladung 0 e-Neutrino m-Neutrino t-Neutrino nt nm ne e m t d s b u c 1. Familie 2. Familie 3. Familie Quarks Leptonen Ladung +2/3 Up Ladung -1/3 Down Ladung -1 Elektron Ladung 0 e-Neutrino ne e d u Neutron Proton

Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC) http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/2mass/XSC/jarrett_allsky.html

SDSS Survey

Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität

Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Standard LCDM Modell Neutrinos mit Smn = 6.9 eV Structurbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutiges Universum) Troels Haugbølle, http://whome.phys.au.dk/~haugboel

Hubble Deep Field Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Dunkle Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend)

Alternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt 1/2 Leptons (e, ne, …) Quarks (u, d, …) 1 Gluons W Z0 Photon (g) 2 Higgs Graviton Spin Standardteilchen Sleptons (e, ne, …) Squarks (u, d, …) Spin Superpartner 1/2 Gluinos Wino Zino Photino (g) 3/2 Higgsino Gravitino ~ Falls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”, das einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt Neutralino = C1 Photino + C2 Zino + C3 Higgsino

„Erfinder” der Supersymmetrie Julius Wess (1934-2007) Direktor emeritus MPI Physik Bruno Zumino (geb. 1923)

Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC) LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008 Protonen werden mit den bisher höchsten Energien zur Kollision gebracht Entdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.B. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partner der normalen Materie

Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008

Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino) Gemessen wird Rückstoss-Energie (einige keV) durch Ionisation Szintillation Kryogenisch Kristall Energie- deposition

Suchexperimente für WIMPs COUPP PICASSO Wärme Phononen CDMS EDELWEISS CRESST ROSEBUD Ladung Licht DRIFT GERDA XENON LUX, ZEPLIN WARP, ArDM DEAP/CLEAN DAMA/LIBRA KIMS, XMASS

Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Physik im Untergrund Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Unterdrückung von Störsignalen grundlegend für WIMP-Suche Abschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlabors Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie

DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs? Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor) beobachtet eine jährliche Modulation ihres Signals mit hoher statistische Signifikanz [Riv. N. Cim. 26 (2003) 1-73, arXiv:0804.2741 (2008)] Detektor Stabilität ? „Hintergrund Stabilität“ ?

Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) Kristall Energie- deposition Gemessen wird Rückstoss-Energie (einige keV) durch Ionisation Szintillation Kryogenisch Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino) Indirekte Methode (Neutrino-Teleskope) Sonne Annihilation Neutrinos hoher Energie (GeV – TeV) können gemessen werden Galaktische dunkle Materie- teilchen werden akkretiert

IceCube Neutrino Telescope at the South Pole 1 km3 antarktisches Eis mit Photosensoren instrumentiert 40 Trossen von 80 installiert (2008) Fertigstellung bis 2011 geplant

ANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer

Leuchtende Lebewesen der Tiefsee

Selbst-Annihilation dunkler Materieteilchen

Kann man die dunkle Materie sehen? GLAST Satellit Start 11. Juni 2008 Dunkle Materieteilchen können direkt „zerstrahlen” Der dunkle Halo der Galaxie könnte in hochenergetischer Gamma-Strahlung leuchten MAGIC, La Palma HESS Luftschauer Teleskop, Namibia

Via Lactea Simulation der Bildung unserer Milchstraße Diemand, Kuhlen & Madau, http://www.ucolick.org/~diemand/vl

Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Materie Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2008) Rückstoßenergie (wenige keV) Gemessen durch Ionisation Szintillation Kryogenisch Suche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST) Anti-Protonen (AMS, Pamela) Positronen (AMS, Pamela) Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)

Some Dark Matter Candidates Supersymmetric particles Neutralinos Axinos Gravitinos Gauge hierarchy problem Little Higgs models Axions CP Problem of strong interactions Kaluza-Klein excitations Large extra dimensions Mirror matter Exact parity symmetry Sterile neutrinos Right-handes states should exist Wimpzillas (superheavy particles) Super GZK cosmic rays MeV-mass dark matter Explain cosmic-ray positrons Primordial black holes Q-balls Why not ?

Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Materie 23% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend)

Nicolaus Copernicus (1473 -1543) Hubble Deep Field Nicolaus Copernicus (1473 -1543)