Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13 Dunkle Materie: Kurze Einführung Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13

Die heutige Teilchenphysik

Das Standardmodell H Higgs …und Antimaterie

Das Standardmodell Ursprung der Massen? elektromagnetische Kraft (Photon) H Higgs Atomkerne starke Kraft (Gluon) schwache Kraft aus radioaktiven Zerfällen HIGGS BOSON Atomhüllen Ursprung der Massen?

Der Urknall im Labor

Der LHC Beschleunigerkomplex

Der LHC Beschleunigerkomplex 27 km Umfang Kollisionen von 4 TeV Protonen t  50 ns zwischen Paket-Kollisionen 20 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision

Der LHC Beschleunigerkomplex ATLAS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Der LHC Beschleunigerkomplex CMS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Supraleitende Doppel-Dipolmagnete im LHC-Tunnel L  15 m, M  30 t, B  8,33 T Magnetische Energie: 10 GJ Temperatur: 1,9 K Kühlung: superfluides Helium 170 kW-Kryogenik @ 4,5 K 93 Tonnen Helium-Vorrat 40000 t kalte Masse im Tunnel

CERN Control Centre

Das Detektorprinzip Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

CERN 4. Juli 2012

Ereigniskandidat: H →  

Masse ( ) - Verteilung ATLAS CMS

Wissen wir damit schon viel?

Das Weltall – Unendliche Weiten 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie 4% Materie des Standardmodells Das Weltall – Unendliche Weiten Ist da sonst gar nichts mehr? Doch! Wir kennen mal gerade 4%!

Evidenz für die Existenz von Dunkler Materie

Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933) Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem  Der Haufen müsste das 400-fache an Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein! Fritz Zwicky (1898 bis 1974) Coma Galaxienhaufen APOD, 2.5.2010, Dean Rowe

Galaxien-Rotationskurven Dunkle Materie und Rotation von Galaxien Galaxien-Rotationskurven v(r) r Galaxiemasse M  Galaxie ist einen Riesenball unsichtbarer Dunkel- Materie ... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen

Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt) Galaxien im sichtbares Licht Heißes Gas (Röntgenstrahlung) NASA/CXC/CfA/STScI

Folgerungen (I) DM-Teilchen senden keine elektromagne-tische Strahlung aus, sind elektrisch neutral, spüren keine Kernkraft. DM-Teilchen unterliegen der Gravitationskraft und eventuell anderen “schwachen” Wechselwirkungen

The Sloan Digital Sky Survey 2 Milliarden Lichtjahre Deklinations-winkel 1.251.25 Folgerung (II): Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!

Was ist Dunkle Materie? WIMPs Populärste Hypothese: schwach wechselwirkende neutrale Teilchen langsame, massereiche Teilchen ( keine Neutrinos!) WIMPs Populärste Hypothese: Weakly Interacting Massive Particles

Theorie 1: Supersymmetrie (SUSY) quark Spin ½ SUSY-Spiegel squark Spin 0 Spin 1 gluon Spin ½ gluino Spin 1 / 0 photon Z Higgs-Bosonen neutralinos Spin ½ stabil, DM-Kandidat

mikroskopisch kompaktifizierte Zusatzdimension(en) Theorie 2: Zusatzdimensionen (Kaluza Klein Anregungen) mikroskopisch kompaktifizierte Zusatzdimension(en) 3-D-Raum Standard-Teilchen Keine Quantenanregung in Zusatzdimension(en) Kaluza Klein Anregungen zunehmende Masse WIMP  leichteste (neutrale, stabile) Kaluza Klein Anregung

Wie sucht man Dunkle Materie? indirekte Suche Wechselwirkung (jenseits Standardmodell) SM-Teilchen WIMP direkte Suche LHC

1. WIMP-Suche am LHC p p Jet Beispiel: Erzeugung von squarks und gluinos undetektiert Neutrino Elektron DM-WIMP Jet gluino squark p p 5 Jets 1 Elektron fehlende Energie Vorsicht Untergund: z.B.

e jet jet jet jet jet Isoliertes Elektron, Jets, E bisher kompatibel mit Untergrund

2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde zurück ins Weltall Atomkern im Detektor Detektoren: extrem sensitiv extrem rein hoch-abgeschirmt WIMP aus dem Weltall Rückstoß Energie ≲ 100 keV  Ionisation / Phononen / Photonen

Direkte WIMP-Suche weltweit

Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso) CaWO4 10 kg Kristalle

Detektormodul bei < 10 mK Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer Phononen Licht WIMP Unter-grund ✔ - Licht Phonon supraleitende Phasenübergangs-Thermometer (SPT) aus Wolfram Detektormodul bei < 10 mK

Resultate liefern noch kein konsistentes Bild… positive Signale beste Obergrenze

3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren: NASA Zentrum unserer Milchstraße Zentrum unserer Sonne Zwerggalaxien

Charakteristische Hochenergie-Strahlung: WIMP WIMP Charakteristische Hochenergie-Strahlung: Gamma-Strahlung Neutrino-Strahlung Antimaterie-Strahlung Nachweis auf der Erde ?

Alpha Magnetic Spectrometer on ISS Antimaterie aus dem Weltall Alpha Magnetic Spectrometer on ISS

Positronen durch kosmische Strahlung Positron-Anomalie von PAMELA PAMELA-Satellit ? WIMP-Annihilation? Astrophysikalische Positron-Quelle (naher Pulsar)? Positronen durch kosmische Strahlung

H. Kolanoski Humboldt-Universität IceCube Neutrino-Detektor am Südpol H. Kolanoski Humboldt-Universität

Neutrino- Nachweis Wechelwirkung Detektor Myon Neutrino

WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne Alle Teilchen außer Neutrinos werden in der Sonne absorbiert Bisher noch kein Signal… IceCube

Höchstenergetische Gammastrahlung Fermi-Satellit Höchstenergetische Gammastrahlung H.E.S.S. Cherenkov-Teleskop Khomas Hochland, Namibia

supermassives schwarzes Loch TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum SNR G0.90.1 HESS J1747281 Galactic Centre HESS J1745290 supermassives schwarzes Loch ~150 pc

Molekülwolken Dichteprofil TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum ...Punktquellen subtrahiert erste aufgelöste Detektion diffuser TeV--Strahlung Kosmische Strahlen wechselwirken in Molekülwolken Molekuelwolken Molekülwolken Dichteprofil HESS J1745290 Schwierig: viele astrophysikalische Gamma-Quellen!

Gammastrahlung vom galaktischen Halo Fermi-Bubbles Zentrum

Gammastrahlung vom galaktischen Halo NASA's Goddard Space Flight Center

Gamma-Linien aus den Fermi Bubbles? M. Su, D.P. Finkbeiner, arXiv:1207.7060v1 [astro-ph.HE] WIMP WIMP →  Z WIMP WIMP →   MWIMP  130 GeV galaktische Länge 5  galaktische Breite  5

Fazit Neues Boson (125 GeV) entdeckt! Higgs-Teilchen? Komplettierung des Standardmodells oder Schlüssel zur Supersymmetrie (Neutralinos, WIMPs)? Noch keine Anzeichen für WIMPs am LHC… …aber viel Aufregung bei der Suche nach WIMPS aus dem Weltall. Wir leben in einer spannenden Zeit! Wie spannend, soll das Seminar zeigen!