Der Urknall und seine Teilchen

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1 Der Urknall und seine Teilchen
Indirekter Nachweis dunkler Materie über Gammastrahlung aus DM- Annihilation EGRET (Energetic Gamma Ray Telescope)

2 Der Urknall und seine Teilchen
Astrophysik: kosmische Gammastrahlung Kosmologie: 23% DM, WQ der DMA bestimmt durch Hubble- Konstante, Bildung von Galaxien Teilchenphysik: Gammaspektrum für BG und DM- Annihilation 13. November 2018 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

3 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Indirekter Nachweis von DMA aus EGRET- Messung der diffusen galaktischen Strahlung Gemessene diffuse Gammastrahlung aus allen Richtungen hat das gleiche Energiespektrum WIMP (Weakly Interacting Mass Particle) Masse muss aufgrund des Energiespektrums zwischen GeV Verteilung der DM aus Intensitätsverteilung (Haloverteilung) EGRET- Daten stimmen mit SUSY überein 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

4 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Aufbau und Messung EGRET auf dem CGRO (Compton Gamma Ray Observatory)- Satellit Typ: Funkenkammer, NaI (Ti) Kristall und Plastik- Szintillator  Paarerzeugung (  e- + e+) Energie- Bereich: 20MeV- 30GeV extrapoliert bis 100GeV EGRET Satellit hat 9 Jahre lang ( ) Photonen bis 100 GeV im Weltall gemessen Überschuss an Photonen in allen Himmelsrichtungen festgestellt Himmelskarte der punktförmigen Gammaquellen mit Energien größer als Hintergrundstrahlung erstellt 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

5 Indirekte DM- Messung mit Gammastrahlung
Problem: Bestimmung des Ursprungs der Gammastrahlung Gammaquellen nicht lokalisierbar, da viele auf einer Linie in gleicher Richtung liegen, aber Punktquellen haben höhere Intensität (‘hot spots‘) als Quellen diffuser Gammastrahlung Quellen: 1) p + p  0 + x   +  + x 2) e +   e +  3) e + N  e +  + N 4) Extragalaktischer Hintergrund 5) DMA unterscheidbar durch ihre Energiespektren und Himmelskarten Verschiedene Messreihen aus allen Himmelsrichtungen fitten/ interpolieren; statistischer Fehler dominiert in EGRET- Daten, also mit in den Fit einbeziehen Ergebnisse mit Modellen vergleichen 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

6 Fluß Φ der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation
  1 / r²: DM- Dichte stieg lokal an nach der Galaxienbildung In diesem Raum: 1 WIMP / coffee cup 105 Durchschnittsdichte für flache Rotationskurve: v = sqrt (GM / r) Messungen: ab 5 kpc konstant / wir : ~ 7kpc  v²  M / r = konst (1pc  3,262Lj)   = M / V  M / r³ = M / r * 1 / r²  1 / r² v: Wirkungsquerschnitt WQ (unabh. von m!) v = 2·10-26 cm³/s  f: Summe über die Endzustände (Quarks + Leptonen  f = 2) bf: Verzweigungsverhältnis (bQuarks= 0,9 bLeptonen= 0,1) Nf: Teilchenzahl des jeweiligen Endzustands Bl: Boost- Faktor ~ (~70) in Blickrichtung l 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

7 Fluß Φ der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation
ähnliche Gleichung bei: - p + p  0 + x   +  + x ( gegeben durch Dichte des Gases, am größten in der Disc) - e +   e + , e + N  e +  + N ( gegeben durch Gamma- und Elektronendichte, am größten in Disc - kosmische Hintergrundstrahlung (isotrop) Energiespektren sehr unterschiedlich, aber bekannt Wirkungsquerschnitte bekannt Dichten nicht genau bekannt, letztendliche Normalisierung bei jeder Messreihe offen lassen Normalisierung begrenzt durch totalen Normalisierungsfehler für EGRET Daten von 15%. Fehler zwischen Datenpunkten: ~7% 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

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Wirkungsquerschnitt 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

9 HUBBLE- Konstante bestimmt WIMP- Annihilations- WQ
Thermal equilibrium abundance Actual abundance T=M/22 Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 Boltzmann Gleichung: n: tatsächliche Teilchendichte der WIMPs neq: Teilchendichte der WIMPs im GG RS beschreibt Produktion und Vernichtung H – Term berücksichtigt die Verringerung der Dichte durch die Expansion WIMPA ist starke Quelle von Antiprotonen, Positronen und Gammas (Annihilation in Quarks) _ _ _ _ T >> M: f + f  M+M M+M  f + f T < M: M+M  f + f T = M / 22: M entkoppelt, Dichte stabil AR  ER   = v n  H : Reaktionsrate H: Expansionsrate v = 2* cm³/s 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

10 Messungen und Unsicherheiten
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11 Überschuss diffuser Gammastrahlung > 1 GeV
2004 Inv. Compton 0 Bremsstrahlung Strong, Moskalenko, Reimer, APJ.613, astro-ph/ D E F A: inner Galaxy (l = ± 30°, |b| < 5°) B: Galactic plane avoiding A C: Outer Galaxy D: low latitude (10°- 20°) E: intermediate lat. (20°- 60°) F: Galactic poles (60°- 90°) 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

12 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
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13 Diffuse - Strahlung für unterschiedliche Himmelsrichtungen
A: inner Galaxy B: outer disc C: outer Galaxy D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles Galaktischen und extragalaktischen Hintergrund und DMA gleichzeitig fitten bei gleicher WIMP- Masse und DM- Normalisierung in alle Richtungen. Boost- Faktor liegt bei 70 in alle Richtungen  Einfluss auf die Statistik > 10 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

14 Ungewissheit bei Hintergrund und Signalform
Bremsstrahlung Extragal. IC WIMPS 0 65 100 Bremsstrahlung Extragal. IC WIMPS 0 Blauer Bereich: Unsicherheit des Hintergrunds bezüglich der WIMP Masse Roter Bereich: Fluss der DMA Gelber Bereich: Hintergrund  WIMP Masse: GeV 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

15 WIMP- Masse aus Energiespektren
EGRET Überschuss über extrapoliertem BG der Daten unter 0,5 GeV Überschuss hat gleiche Kurvenform in alle Richtungen  überall gleiche Quelle Statistical errors only Überschüssige - Strahlung hat gleiches Spektrum in alle Richtungen, vergleichbar mit einer WIMP- Masse von GeV 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

16 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
BG- Unsicherheiten T. Kamae et al, 2004, astro-ph/ BG I II III III = double break Ergebnis: Im Datenbereich von 0,1- 0,5 GeV sind das Haloprofil, der BG und die WIMP- Masse unabhängig von der Wahl der Ausgleichskurve. Statistischer Fehler vernachlässigbar, da der Fehler zwischen den Datenpunkten 7,5% beträgt. 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

17 Dichteverteilung von DM
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Haloprofil xy xz Erwartetes Profil Beobachtetes Profil 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

19 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
x y z 2003, Ibata et al, Yanny et al. 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

20 1/r²- Profil mit / ohne Ringe für E > 0,5 GeV
Mit 2 Ringen DISC 10° < b < 20° DISC 10° < b < 20° 5° < b < 10° 20° < b < 90° 5° < b < 10° 20° < b < 90° Halo- Daten: Ausgleichskurven der Längengrad- Fluss- Kurven bei verschiedenen Breitengraden: < 5°, 5° < b < 10°, 10° < b < 20°, 20° < b < 90° 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

21 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Rotationskurve Outer Ring Inner Ring bulge Total DM 1/r2 halo disk 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

22 Rotationskurven anderer Galaxien
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23 Ursache für die Ringstruktur
Einfall einer Zwerggalaxie, die keine perfekte sphärische Symmetrie hat in das Gravitationspotential einer größeren Galaxie. Ringartige Struktur mit erhöhter DM- Dichte, deren Dicke und Ausdehnung mehrer kpc beträgt Apocenter Pericenter Anziehungskraft  Gradienten des Gravitationsfelds  1/r³  Auseinanderfall am stärksten im Perizentrum bei großen elliptischen Bahnen 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

24 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
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25 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
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26 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
BOOST- Faktor 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

27 Clustern der DM  Erhöhung der DMA- Rate
Analytische Kalkulation N- Körper- Simulation pc- Auflösung kpc- Auflösung Clustergröße: 1014 cm = 10 x Sonnensystem Mmin  10-8 Mסּ Clusterdichte  25 pc-3 (alle 130 Lichtjahre trifft man auf ein Cluster) Anteil der Halo- Masse in Klumpen: 0,002 Klumpen der Masse Mmin leisten den größten Beitrag bei der DMA viele Ereignisse gleicher Boost- Faktor in alle Richtungen Boost- Faktor  <²>/<>²  Effektiver DMA- WQ liegt zwischen ·10-26 cm³ s-1 gefitteter Boost- Faktor: (abhängig vom BG) 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

28 Ergebnisse aus den Fits für Φ
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29 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Fit- Ergebnisse der Halo- Parameter Parameter Wert  2  2  0 R0 8,5 kpc a 4 kpc 0 0,42 GeV/cm³ a 1,8- 3,3 GeV/cm³ b 1,2- 2,1 Gev/cm³ b/a 0,9 c/a 0,8 Ra 4,3 kpc Rb 14 kpc Ra 3,4 kpc Rb 2,1 kpc za 0,3 kpc zb 1,3 kpc B <v> siehe WMAP =2  1/r2 2 Gaussian Ringe H2 H R [kpc] 4 bei kpc: Ring von Sternen (Einfall einer Zwerggalaxie: Yanny, Ibata,…) bei 4 kpc: Ring aus neutralen Wasserstoff- Molekülen Masse in den Ringen 1.6 and 0.3% der gesamten DM 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

30 Einige interessante Daten
Entfernung zur Sonne ’ 15‘‘ Entfernung zum nächsten Stern ( Centauri) 1,3 pc Dicke der Milchstrasse ,3 kpc Entfernung zum galaktischen Zentrum kpc Radius der Milchstrasse ,5 kpc Entfernung zur nächsten Galaxie (LMC) kpc Entfernung zum Andromeda- Nebel kpc Größe von Galaxienhaufen Mpc Entfernung zum Zentrum des nächsten Superhaufens Mpc / h Größe von Superclustern  50/h Mpc Hubble Radius /h Mpc 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

31 Vergleich der Daten mit SUSY
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32 DM- Vernichtung in der SUSY
 f Z W  0 ~ A entscheidende Diagramm des WMAP- WQ Gammaspektren von den Quarks  +   A _ MONOENERGETISCHE am LEP erforscht!  MONOENERGETISCHE b b Quark- Paar Galaxy = SUPER-B-factory mit Intensität die 40 Größenordnungen über der von Menschen gemachten B-factories 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

33 Charginos, neutralinos und gluinos light
SUSY- Massenspektrum in MSUGRA passt zu WMAP und EGRET (minimal supergravity grand unification) LSP größtenteils Bino  DM vielleicht supersymmetrische Partner von CMB (Cosmic Mircowave Background) Charginos, neutralinos und gluinos light 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

34 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Zusammenführen der Kopplungskonstanten Update from Amaldi, dB, Fürstenau, PLB SM SUSY Mit dem SUSY- Spektrum aus den EGRET- Daten kreuzen sich die Kopplungskonstanten in einem Punkt. s=0.123 ist die Vereinheitlichung der drei Kopplungskonstanten in diesem Punkt. 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

35 Vergleich mit direkten DM Nachweismethoden
Spinunabhängig Spinabhängig DAMA CDMS ZEPLIN Edelweiss Projections Voraussagen aus den EGRET- Daten setzten Supersymmetrie voraus 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

36 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Überschuß gemessen Entspricht WIMP- Masse von GeV DM wahrscheinlich SUSY- Partner der CMB (Hintergrundstrahlung) Zukünftige Experimente: Pamela (2005)  Antiprotonen, Positronen GLAST (2007)  Gammas (höherer Energien, Nachfolger von EGRET) AMS (2008)  alle Nukleonen, Gammas, Positronen, Antiprotonen LHC  alle SUSY- Teilchen? ILC(500)  Charginos, Top- Quark, Higgs- Teilchen 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET

37 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET
Literatur Louvain, Prof. de Boer Kosmo- Vorlesungsskript, Prof. de Boer 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET