Geheimnis der dunklen Materie

Präsentation zum Thema: "Geheimnis der dunklen Materie"—  Präsentation transkript:

1 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

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

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

4 Struktur von Spiralgalaxien
Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891

5 Sonnensystem

6 „Rotationskurve” des Sonnensystems
Kepler’sches Gesetz

7 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

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

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

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

11 Lichtablenkung durch Gravitation („Gravitationslinse”)

12 Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen
Galaxienhaufen Cl [Hubble Space Telescope] Numerische Simulation

13 Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & Röntgen)

14 Bullet Cluster (1E )

15 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

16 Urknall und Expansion des Universums

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

18 Hubble Diagramm - Beschleunigte Expansion
Abgebremste Expansion (Normale Materie)

19 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

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

21 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 Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich Vakuumfluktuationen Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie Vakuumenergie rvac äquivalent zu L

22 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 ??? ∞

23 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 ( ) Casimir Kraft zwischen parallelen Platten (Abstand d, Fläche A) Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)

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

25 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 Elektron Myon Tauon Ladung 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 Elektron Ladung e-Neutrino ne e d u Neutron Proton

26 Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC)

27 SDSS Survey

28 Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität

29 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,

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

31 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

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

33 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

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

35 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

36 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

37 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

38 CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie

39 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: (2008)] Detektor Stabilität ? „Hintergrund Stabilität“ ?

40 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

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

42 ANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer

43 Leuchtende Lebewesen der Tiefsee

44 Selbst-Annihilation dunkler Materieteilchen

45 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

46 Via Lactea Simulation der Bildung unserer Milchstraße
Diemand, Kuhlen & Madau,

47 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, …)

48 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 ?

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

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