Dunkle Materie Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki

Wiederholung: Kosmologische Dichte mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte -

einige exemplarische Ergebnisse Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 <  < 0,3 Fluchtgeschwindigkeitsfelder: 0,25 <  < 2 Baryonische Dichte über Luminosität: b < 0,03 Dunkle Materie?

nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie! Aufteilung Heutige Annahme: 70% dunkle Energie 30% Materie 90% dunkle Materie 10% gewöhnliche Materie nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!

Übersicht Hinweise Kandidaten Experimenteller Nachweis

Hinweise auf dunkle Materie Rotationskurven von Spiralgalaxien Elliptische Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen Hinweise aus Kosmologie

Rotationskurven von Spiralgalaxien Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?

Berechnung allgemein Stabile Kreisbahn: Mr – Gesamtmasse innerhalb Radius r

konkrete Berechnung innerhalb: kugelförmiger „bulge“ außerhalb: Gesamtmasse

Bild von Theorie

Experimentell experimentell: ! Sphärischer Halo aus dunkler Materie?

Elliptische Galaxien

Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen Gashalo Röntgenabsorption: Gashalos mit 107 K Gasmoleküle lägen über Fluchtgeschwindigkeit Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen über dem der Sonne Dunkle Materie?

Dynamik von Galaxienhaufen

Virialsatz Virialsatz: mit und

Messung Dunkle Materie? Messung: Masse liegt 2 Größenordnungen höher als von Leuchtkraft zu Masse berechnetem Wert Dunkle Materie?

Hinweise aus der Kosmologie

Flachheitsproblem Inflation! Flachheitsproblem: Heutiges Universum extrem flach Muss früher noch viel flacher gewesen sein Warum war das Universum so flach? Inflation! erfordert  = 1

Galaxienentstehung Galaxienentstehung: Galaxien aus Dichteinhomogenitäten entstanden Strahlung und Materie bei 3000 K entkoppelt Dichteinhomogenitäten erst später entstanden Zeit reicht nicht zur Bildung heutiger Strukturen Massive Teilchen, die früher entkoppelten und Kondensationskeime bildeten?

Kandidaten Alternativen Baryonische dunkle Materie Nicht-baryonische dunkle Materie

Alternativen Kosmologische Konstante : Dunkle Energie Einstein:  für statisches Universum eingeführt Nach Entdeckung der Expansion meist  = 0 Heute:  als Energiedichte des Vakuums Dunkle Energie Zeitabhänge Gravitationskonstante: G(t) hätte anderes b zur Folge Aber: Keine Energieerhaltung !!!

(modified Newtionian dynamics) MOND-Theorie MOND-Theorie: (modified Newtionian dynamics) Annahme: Gravitationsgesetzt nicht universell gültig

Baryonische Dunkle Materie Gewöhnliche baryonische Materie MACHO’s (Massive Compact Halo Objekts)

Braune Zwerge Braune Zwerge: Objekte mit kleiner Masse  Keine Kernfusion z.B. Planeten Mangelnde Kenntnis über Entstehung Weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher: Endprodukte eine Sternenlebens Materie teilweise wiederverwendet Leichte Sterne größere Lebensdauer als Universumalter

Nicht-baryonische dunkle Materie WIMP’s (weakly interacting massive particles) COBE und QDOT IRAS: 30% heiße und 70% kalte dunkle Materie

Heiße dunkle Materie Leichte Neutrinos: Vorteil: leichte Neutrinos bekannt bereits geringe Masse hätte gravierende Auswirkung auf Dynamik des Universums Neutrinos haben bei T= 1010 K entkoppelt  heiße dunkle Materie

Kalte dunkle Materie Schwere Neutrinos: Axionen: Theoretisch mögliche Teilchen Bei Entkopplung bereits nicht-relativistisch kalte dunkle Materie Axionen: hypothetische Teilchen aus Symmetriebrechung im starken CP-Problem Axion-Hintergrundfeld

Supersymmetrische Teilchen hypothetische Teilchen aus Supersymmetrie Boson-Fermion-Symmetrie nur schwache Wechselwirkung Mögliche SUSY-Teilchen für dunkle Materie: Photino, Higgsino, Zino, sNeutrino, Gravitino Bislang kein Nachweis ( Beschleunigerexperimente)

Topologische Defekte in der Raumzeit: Annahme: Ende des frühen Universums fand Symmetriebrechung statt Bildung von Raumdomänen mit unterschiedlichen Ausrichtungen an Grenzflächen Entstehung von topologischen Defektstellen z.B. Magnetische Monopole, kosmische Strings

Nachweis MACHO‘s Axionen WIMP‘s

MACHO-Nachweis Gravitationslinsen: allgemeine Relativitätstheorie  Gravitationslinseneffekt Winkelabstand  Masse der Linse

Microlensing Microlensing: Abbilder aus Gravitationslinseneffekt so dicht beieinander, dass nicht mehr unterscheidbar  Modifikation + Verstärkung der Bilder, wegen Bündelung des Lichtes von größerem Winkelbereich Merkmale: hohe Lichtverstärkung symmetrische Lichtkurve Veränderung ist achromatisch statistisch nur 1 Ereignis pro Stern

Das MACHO-Projekt Teleskop in Australien scannt Himmel mit CCD seit Beginn 1992: einige Ereignisse in LMC und in Zentrum der Milchstraße - etwa halbe Sonnenmasse - Objektart nicht sicher - reicht nicht zur Erklärung

geringe Anzahl an Ereignissen Axionnachweis geringe Anzahl an Ereignissen Masse von 10-5 bis 10-3 eV

Versuch 1 Versuch 1:

Versuch 2 Versuch 2:

WIMP-Nachweis Nachweis der Rückstoßenergie bei Wechselwirkung mit Atomkern

Tieftemperaturmethoden Supraleitende Spule knapp unterhalb der Sprungtemperatur Auftreffen von einem WIMP Rückstoßenergie zerstört Cooper-Paare messbares Spannungssignal

kalorimetrische Messung Rückstoßenergie ER=Q kleines Q  großes T

Phononmessung Messung der Phononen

Ionisation in Halbleiterzählern Empfindlichkeit bis zu sehr großen Massen Rückstoßkern erzeugt Elektron-Loch-Paare  Stromstoß Spinunabhängig: 76Ge Spinabhängig: 73Ge Si-Halbleiterzähler für den Nachweis leichterer Teilchen

DAMA (Dark Matter Search) NaI-Detektor in Gran Sasso Abschirmung: 1400m Gestein WIMP‘s sammeln sich wegen Gravitations-WW in Zentrum der Milchstraße erwarten jahreszeitlich schwankende Ereignisrate wegen der Bewegung der Erde um die Sonne

Ergebnisse ein solches Signal wurde als 3 prozentige Schwankung der Wechselwirkungsrate gefunden  WIMP‘s mit 60 GeV? Für höhere Nachweisgenauigkeit ist Rauschen noch zu groß

(Cryogenic Dark Matter Search) CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) Germanium-Detektor in alter Mine in USA - Rückstoßenergie über Temperaturerhöhung bestimmt Untergrund kann von WIMP-Ereignissen durch die zusätzliche Messung der Phononen effizienter unterschieden werden  erste Messungen scheinen Ergebnisse von DAMA zu widerlegen

Zusammenfassung Universum scheint aus einem „Cocktail“ von Bestandteilen zu bestehen: Neben der dunklen Energie dominiert die nicht-baryonische Materie, welche sich vornehmlich aus kalter dunkler Materie mit einem „Schuss“ Neutrinos zusammensetzt. Die uns bekannte baryonische Materie stellt nur einen Bruchteil des gesamten Universums dar. Durch Erhöhung der Empfindlichkeit ( mehr Detektormasse) und bessere Unterdrückung des Untergrundes ( mehr Schirmung) sollen die Experimente in Zukunft mehr und genauere Daten liefern. ,,If it's not DARK, it doesn't MATTER.“ Anonymus

Literatur H.V.Klapdor-Kleingrothaus/A.Staudt „Teilchenphysik ohne Beschleuniger“ H.V.Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber „Teilchenastronomie“ Spektrum der Wissenschaft „Gravitation“ C.Grupen „Astroteilchenphysik“ Internet