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Thomas LohseHumboldt-Universität zu BerlinSommerakademie Olang 2014
Dunkle Mächte im Weltall
Phase 1:
Fortschritt (ein Beispiel)
Struktur der Materie (Empedokles et al., ≈ 500 v.Chr.)
• sehr erfolgreich• viele Anwendungen• … etwas grob
Struktur der Materie (Mendelejev, Meyer, 1869)
• Grundlage der modernen Chemie• … aber subatomare/subnukleare Phänomene?
HHiggs
Struktur der Materie (CERN et al., 2012)
Materie Kraftfelder
Skalarfeld (→ Massen)
CERN
4. Juli 2
012CERN
4. Juli 2
012
Standardmodell der Teilchenphysik komplett! → EierlegendeWollmilchSau? Physik „fertig“?
γγh
Phase 2:
Frustration
22% Dunkle Materie
74% Dunkle Energie
4% Materie des Standardmodells
Ist da sonst gar nichts mehr?Das Weltall – Unendliche Weiten
Doch! Wir kennen mal gerade 4%!
Phase 3:
Faszination
Dunkle EnergieMessung der Expansion des Weltalls
mit Standardkerzen
Galaxie NGC 4526
Ia-Supernova 1994D
• sichtbare Helligkeit Entfernung• Rotverschiebung Geschwindigkeit
Ergebnis: Expansionskurve des Weltalls
010 10 3020Jetzt
Milliarden Jahre
Ausdehnungsskala
Urknall
beschleunigte Expansion negativer Vakuumdruck
(dunkle Energie)Þ kosmologische Konstante?Þ neue Skalarfelder?Þ ??????????????????????
Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase
gebremste Expansion Massenanziehung
der (dunklen) Materie
Dunkle Materiebremst Expansion des Alls
• sie ist unsichtbar
• aber nicht unspürbar
Fritz Zwicky (1898 bis 1974)
Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933)
Coma Galaxienhaufen
APOD, 2.5.2010, Dean Rowe
Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem
Der Haufen müsste das 400-fache an
Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein!
Dunkle Materie und Rotation von Galaxien
rv(r)
Galaxiemasse M
r
vFF
r
M 2
Zentrif.G2
Galaxien-Rotationskurven
r
1rv
const.rv
Galaxie ist einen Riesenball
unsichtbarer Dunkel- Materie ... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen
Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen
Galaxien im sichtbares Licht
Heißes Gas (Röntgenstrahlung)
Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt)
NASA/CXC/CfA/STScI
Phase 4:
Forschung(Beispiel: Dunkle Materie)
Bestandsaufnahme
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
Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!
2 Milliarden Lichtjahre
Deklinations-winkel
1.251.25
Was ist Dunkle Materie?
Populärste Hypothese:
•schwach wechselwirkende neutrale Teilchen
• langsame, massereiche Teilchen ( keine Neutrinos!)
WIMPsWeakly Interacting Massive Particles
Idee: Supersymmetrie (SUSY)
SUSY-Spiegelquark
Spin ½
squark
Spin 0Spin 1
gluon
Spin ½
gluino
Spin 1 / 0
photon Z Higgs-Bosonen
neutralinos Spin ½1χ~
2χ~3χ~
4χ~stabil, DM-Kandidat
Wie sucht man Dunkle Materie?
LHC
Wechselwirkung (jenseits
StandardModell)
SM-Teilchen
SM-TeilchenWIMP
WIMP
direkte Suche
indirekte Suche
1. WIMP-Suche am LHC (CERN)
LHC ab 2015:27 km UmfangKollisionen von 6,5…7 TeV Protonent 25 ns zwischen Paket-Kollisionen40 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, …
Der LHC Beschleunigerkomplex
Das Detektorprinzip
Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …
DM-WIMP
DM-WIMP
NeutrinoElektron
Jet
Jet
Jet
Jet
Jet
1χ~e eν
q 1χ~
q~ q
WIMP-Erzeugung am LHCBeispiel: Erzeugung von squarks und gluinos
p pgluino
squark
g~
q~
q2χ~ q
q1χ~
undetektiert
undetektiert
•5 Jets•1 Elektron•fehlende
Energie
Vorsicht Untergund: z.B. WJetspp
eνe
Isoliertes Elektron, Jets, E
e
E
jetjet
jetjet
jet
bisher kompatibel mit Untergrund
2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde
WIMP
Atomkern im Detektor
aus dem Weltall Rückstoß
Energie ≲ 100 keV
zurück ins Weltall
Detektoren:•extrem sensitiv•extrem rein•hoch-
abgeschirmt
Ionisation / Phononen / Photonen
Direkte WIMP-Suche weltweit
Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso)
10 kg KristalleCaWO4
Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer
supraleitende Phasenübergangs-Thermometer (SPT) aus Wolfram
Detektormodul bei < 10 mK
Phonon
Licht
Phononen Licht
WIMP
Unter-grund
✔✔ ✔
-
Resultate liefern noch kein konsistentes Bild…
beste Obergrenze
positive Signale
3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall
WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren:
Zentrum unserer Milchstraße
Zentrum unserer Sonne
NASA
Zwerggalaxien
WIMP
WIMP
γνν,
e
pe
p
Charakteristische Hochenergie-Strahlung:
γνν,
e,p
Gamma-Strahlung
Neutrino-Strahlung
Antimaterie-Strahlung
Nachweis auf der Erde ?
Antimaterie aus dem Weltall
Alpha Magnetic Spectrometer
on ISS
Positron-Anomalie
• WIMP-Annihilation?• Astrophysikalische
Positron-Quelle (naher Pulsar)?
Positronen durch kosmische Strahlung
?
ee
IceCube Neutrino-Detektor am Südpol
WechelwirkungDetektor
Neutrino
Neutrino-Nachweis
Myon
IceCube
WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne
νAlle Teilchen außer
Neutrinos werden in der Sonne absorbiert
Bisher noch kein Signal…
Höchstenergetische Gammastrahlung
H.E.S.S. Cherenkov-Teleskope
Khomas Hochland, Namibia
Fermi-Satellit
~150 pc
Galactic CentreHESS J1745290
SNR G0.90.1HESS J1747281
TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum
supermassives schwarzes Loch
Gamma-Linien aus dem Galaktischen Zentrum?C. Weniger, JCAP 1208 (2012) 007
WIMP WIMP → MWIMP 130 GeV
Phase 5:
Fun
…zurück zu Phase 1 von hier…
Fazit•Mit Higgs-Teilchen ist erstes Skalarfeld entdeckt
•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.
Es bleibt super-spannend. Keep tuned !
Physik macht Spaß
Forschung
Fortschritt
Fun
Frustration
Faszin
atio
n
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