Die Suche nach dunkler Materie im Weltall Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall 16.02.2007 Martin Langowski 195103 Die Suche nach dunkler Materie im Weltall Indirekte Messmethoden

Inhalt Indirekte Suche Gammastrahlen -511keV Linien mit SPI/Integral Einleitung Indirekte Suche Gammastrahlen -511keV Linien mit SPI/Integral -Überschuss bei diffuser Gammastrahlung -~TeV Strahlung aus dem galaktischen Zentrum Antiprotonen & Positionen -Ballon und Satellitentenexperimente Neutrinos 2/34

Einleitung - Modelle zur Strukturbildung - Gravitationslinsen Hinweise auf dunkle Materie - Rotationskurven - Modelle zur Strukturbildung - Gravitationslinsen Erkenntnisse -73% der Masse ist dunkle Energie -27% der Masse ist Materie -davon 4% Baryonen -80% der Materie ist Dunkel 3/34

Indirekte Suche Suche nach Sekundärteilchen aus Annihilation von Dunkle Materie Teilchen mit Antidunkle Materie Teilchen (DMA) Genaue Kenntnis anderer (nicht so exotischer) Prozesse mit gleichen Sekundärteilchen notwendig Mögliche stabile Reaktionsendprodukte : (alle anderen Zerfallen) Elektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen, Photonen und Neutrinos - Geladene Materie Teilchen ( Elektronen, Protonen) verlieren zu viele Informationen und tauchen zu häufig bei anderen Phänomenen auf. 4/34

Gammastrahlung Herkunftsrückschluss möglich Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens Oder: Gammastrahlung aus Elektron-Positron-Annihilation in Ruhe 511keV Strahlung Messungen in verschiedenen Spektralbereichen mit entsprechenden Instrumenten (INTEGRAL E=511keV, diffuse Gammastrahlung bei EGRET E>1GeV, Tscherenkov-Teleskope E~TeV) Hintergrund: - WW von kosmischer Strahlung mit interstellaren Medium zumeist durch pi0 Zerfall - WW von hochenergetischen Elektronen durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung 5/34

511keV Linie mit SPI/Integral 20keV-10Mev Energieauflösung 2keV bei 1MeV 6/34

Energieauflösende Messung 7/34 Energieauflösende Messung Instrument Year Flux (10-3 cm-2 s-1) Centroid (keV) Width (keV) HEAO-3 79-80 1.130.13 510.920.23 1.6+0.9-1.6 GRIS 88 and 92 0.880.07 2.50.4 HEXAGONE 89 1.000.24 511.330.41 2.90+1.10-1.01 TGRS 95-97 1.070.05 510.980.10 1.810.54 SPI 2003 0.99 +0.47-0.21 511.06 +0.17-0.19 2.95+0.45-0.51

Herkunftsbestimmende Messung 8/34

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511keV Strahlung stammt zum Großteil aus dem verdichteten Zentrum der Galaxie (Bulge) 10/34

Interpretation 511keV Strahlung stammt aus dem verdichteten Zentrum (Bulge) Dort wird auch die größte Dichte dunkler Materie vermutet Nicht DM Interpretation - Nicht DM Interpretationen (Astrophys. Phänomene, bei denen Positronen entstehen) aus vorangegangen Experimenten brauchen einen größeren Intensitätsanteil aus der Disc - Ein entsprechender Anteil wurde nicht gemessen 11/34

Diffuse Gammastrahlung Erstes Gammastrahlenteleskop im All: Explorer XI 1961 Mai 1961- September 1961 nur 100 gemessene Photonen aus verschiedensten Bereichen des Alls welche als „Gammastrahlen Hintergrund“ gedeutet wurden SAS-2 (1972-73) und COS-B (1975-82) liefern erste vollständige Karten des Universums im Gammastrahlenbereich 12/34

1967 erste entdeckte Gammastrahlenquelle in der Milchstrasse durch OSO-3 Besonders viele Quellen werden im Zentrum der Milchstrasse gefunden Weitere Satelliten mit Experimente in den 70er Jahren: OGO, OSO, Cosmos, Vela SAS-2 (1972-73) und COS-B (1975-82) liefern erste vollständige Karten des Universums im Gammastrahlenbereich

1977 Beginn der Planung von CGRO mit 4 Instrumenten: COMPTEL, BATSE, EGRET, OSSE Flugzeit 5.4.1991-4.6.2000 13/34

EGRET Funkenkammer zur Richtungsmessung Gamma konvertiert in Funkenkammer in e+e- NaI(Tl) Kalorimeter zur Energiemessung der e+ und e- Antikoinzidenzschild Energiebereich: 20MeV-30GeV 14/34

Was wurde Gemessen Zur Modellierung des Hintergrunds (gelb) wurde das Programm GALPROP genutzt Zur Modellierung der Kontur der DMA Kurve wurde Das Programm DarkSusy benutzt 15/34

Interpretationen des Überschusses Es gibt eine Gruppe (W. de Boer et al.) die Überschuss mit DM erklärt ( => wird im folgendem behandelt) Andere Gruppen Erklären den Überschuss als Fehlmodellierung Dabei können z.B. leichte Änderungen der Kern und Elektron Spektren zur Erklärung des Überschusses führen 16/34

Messung in 6 Raumrichtungen 17/34

Gleiche Linienkontur nur des Überschusses in verschiedenen Raumrichtungen

Erste Schlüsse Der Überschuss der diffusen Gammmastrahlung bei Energien >1GeV ist in allen Raumrichtungen zu sehen Der Überschuss entsteht durch DMA von Wimps mit einer Ruhmasse von 50GeV-100GeV 18/34

Ausweitung der Messungen auf viele ( hier 180 ) Raumrichtungen Unter Annahme bestimmter Voraussetzungen der Strukturentstehung, ist der Überschuss proportional zum Integral über das Quadrat der DM Dichte in Sichtrichtung Dies liefert Hinweise auf das Haloprofil Mit diesem lässt sich dann auch die Rotationskurve der Milchstrasse erklären(Halo + 2 Ringe bei 4kpc und bei 14kpc) 19/34

Ausweitung der Messungen auf viele ( hier 180 ) Raumrichtungen Unter der Annahme, das die Clusterbildung in alle Richtungen gleich ist (gleicher Boostfaktor in alle Richtungen), ist der Überschuss proportional zum Integral über das Quadrat der DM Dichte in Sichtrichtung Dies liefert Hinweise auf das Haloprofil Mit diesem lässt sich dann auch die Rotationskurve der Milchstrasse erklären( 2 Ringe bei 4kpc und bei 14kpc) 19/34

Parameterisierung des Haloprofils aus empirischen Beochbachtungen Isothermales Haloprofil (alpha,beta,gamma)=(2,2,0) a ist der Skalierungsradius r ist Radius rho0 ist Dichte bei r=0 für große r ist rho proportional zu 1/r^2 20/34

links: isothermisches Haloprofil als DM rechts: isothermisches Haloprofil + 2 Ringe bei4kpc und 14kpc als DM konstante Energie >0,5GeV Flussdichte über galaktische Länge dargestellt in festem Bereich galaktischer Breite 21/34

DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring Sichtbare Materie DM Beitrag gesamt DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring 22/34

Gegenmeinung Problem bleibt richtige Modellierung http://www.mpe.mpg.de/~aws/talks/barcelona_2006f.pdf 22/34

Hochenergetische Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum Galaktisches Zentrum Schwarzes Loch Sgr A* mit 3*10^6 Sonnenmassen Supernovaüberrest Sgr A East Gebiet mit hoher Dichte an ionisierten Wasserstoff Sgr A West Zuerst gefunden als Radioquelle mit geringer Luminosität Variabel in Zeitskalen <1h im Infrarotband und für Röntgenstrahlung, aber nicht bei Gammastrahlung Sgr A East Sgr A* 3‘ 23/34

Hochenergetische Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum Crab GC MAGIC Im TeV Bereich wurde mit HESS (2003 und 2004) ein Potenzgesetz der Funktion E^2*Flussdichte(E) gemessen zu E^(-2,2) Bestätigung durch MAGIC(2005) Ältere Messungen Whipple(95-03) und CANGAROO(01/02) liefern je unterschiedliche Ergebnisse Die Gammastrahlung entstammt einer Punktquelle 23/34

Signal und Interpretation Es wurde E^2*Flussdichte =E^(-2,2) gemessen Zur Erklärung benötigt man Wimp mit Masse>12TeV, da dort kein cutoff zu erkennen Andere DM Erklärung: Teilchen aus sogenannter Kaluza-Klein-Theorie - Zur KK-DM Erklärung wird ein großer Fluss und/oder ein großer Wirkungsquerschnitt benötigt Diese können alleine das Spektrum nicht erklären Es muss weitere Phänomene geben, die Beitragen 24/34

Mögliche Interpretationen ohne DM Durch Akretion am schwarzen Loch SgrA* und damit verbundenen Beschleunigungsprozessen entstehen hochenergetische Protonen und Elektronen welche z.B. durch Synchrotonstrahlung oder Curvature-Strahlung hochenergetische Photonen erzeugen Aufgrund geringer Luminosität wird erwartet, dass Sgr A* im TeV Bereich für Gammastrahlen Transparent ist Auch am Supernovarest SgrA East können hochenergetische Protonen und Elektronen entstehen

Antiprotonen Keine Ortsangabe der Quelle möglich Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens Hohe Reichweite im interstellaren Medium, d.h. Antiprotonen können aus der ganzen Milchstraße (Durchmesser ca. 30 kpc) die Erde erreichen (auf gekrümmten Bahnen) Hintergrund: Antiprotonen entstehen bei Stößen von Protonen mit dem Interstellaren Medium (zumeist Wasserstoff) oder in Erdatmosphäre 25/34

Positronen Keine Ortsangabe der Quelle möglich Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens Kurze Reichweite (wenige kpc) aufgrund hoher Energieverluste(z.B. durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung, Synchrotonstrahlung) - auch vorteilhaft, da Hintergrund Modellierung einfacher Hintergrund: Positronen aus Wechselwirkung von Photonen mit geladener Kosmischer Strahlung u.a. Astrophysikalische Phänomene (Supernovae, Pulsare…) 26/34

Antiprotonen und Positronen Suche Ballonexperimente Erste Messungen 1979 Heutige Experimente BESS seit 1993 jährlich ca.10h/a bis 2004 etwa 2000 Antiprotonen gemessen (1993 nur 6) Größenordnung des Verhältnis der Antiprotonen zu Protonen O(10^-5) Seit 2004 BESS-Polar mit Flugdauern von ca.10Tagen CAPRICE (94 und 98) HEAT (sowohl e+e- als auch pbar Suche) Satellitenexperimente AMS(01 Testflug 1998, 02 ab 2008), Pamela(2006) 27/34

Messinstrumente oben: BESS-Polar unten von links: HEAT e+- HEAT pbar AMS-02 Pamela

Messinstrumente oben: BESS-Polar unten von links: HEAT e+- HEAT pbar AMS-02 28/34

Kurze Beschreibung Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) Flugzeitzähler(TOF) Tscherenkovzähler(RICH) Elektromagnetisches Kalorimeter(ECAL) Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC) Si-Spurdetektor(Tracker) Supraleitender Magnet (1T) |Q| wird mit Tracker, RICH und TOF gemessen Q und Impuls mit Tracker v/c mit TOF,TRD,RICH E mit Kalorimeter

Kurze Beschreibung Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) Flugzeitzähler(TOF) Tscherenkovzähler(RICH) Elektromagnetisches Kalorimeter(ECAL) Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC) Si-Spurdetektor(Tracker) Supraleitender Magnet (ca.1T) 29/34

Bisherige Erkenntnisse BESS: Fluss und Energieabhängigkeit des Antiproton/Proton Verhältnisses lassen sich ohne Dunkle Materie klären HEAT: Positronen sind reine Sekundärteilchen von Kernwechselwirkungen im interstellaren Raum Allerdings kann DM noch nicht ausgeschlossen werden 30/34

Positronfraction (#e+/#e-) für Energien von 1GeV-30GeV HEAT Messwerte 94/95 rot Messwerte 2000 blau Modell für Spektrum mit zusätzlichen Anteil von DM aus Kaluza-Klein-Theorie schwarz gestrichelte Linien für andere e+ Diffusionsparameter => DM aus KK-Theorie als Strahlungsquelle noch nicht ausgeschlossen e+ diffusion parameters D. Hooper, hep-ph/0409272 31/34

Neutrinos Herkunftsrückschluss möglich Ist selbst WIMP ( Heiße Dunkle Materie) Nur schwach wechselwirkend, deshalb nur schwer (mit riesigen Detektoren) nachzuweisen Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen Durchdringt auch Regionen durch die andere Teilchen wegen WW nicht durchkommen ( Neutrinos aus inneren der Sonne, Erde u.a. falls sich DM dort sammelt ) 32/34

Aber: Zumeist gibt es starke Gegenargumente Zusammenfassung Indirekte Suche nach DM über Sekundärteilchen von DM Annihilation möglich Es wurden tatsächlich Signale gemessen, die mit DM erklärt werden können Aber: Zumeist gibt es starke Gegenargumente Eindeutiger Nachweis der Existenz von DM mit indirekter Suche steht noch aus 33/34

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ergänzungen, Meinungen, Fragen ? 34/34