Die Entdeckung Dunkler Materie

Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik

Marco Sauer

02.07.2010

02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie 2

Gliederung

I. Hinweise auf Dunkle Materie

- Rotationskurven von Galaxien

- Gravitationslinsen

- Kollision zweier Galaxiencluster

II. Was ist Dunkle Materie?

- Mögliche Formen von Dunkler Materie

- WIMPs

III. Indirekte Nachweismethoden

- Gammasatelliten

- EGRET auf CGRO

- Fermi

IV. Direkte Nachweismethoden

- Edelweiss

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 3

Erster Hinweis auf Dunkle Materie

1933 durch Fritz Zwicky

beobachtet hohe Geschwindigkeiten einzelner Galaxien im Coma-Galaxienhaufen

postuliert Existenz einer nichtleuchtenden Form von Materie

Virialsatz:

potkin UE 2

(gilt für ein abgeschlossenes Vielteilchen- system im mechanischen Gleichgewicht)

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 4

Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien

Erwartung: Die Rotations- geschwindigkeit nimmt außerhalb des galaktischen Kerns mit dem Abstand ab.

21 rvrot

Beobachtung: Die Rotations- geschwindigkeit bleibt außerhalb des galaktischen Kerns in etwa konstant.

constvrot

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 5

Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien

Erklärung: Eine Galaxie ist in einen sphärischen Halo von Dunkler Materie eingebettet.

Dunkler Materie Halo:

- Masse nimmt linear mit dem Radius zu

- Anteil von 80 – 90% an der Gesamtmasse der Galaxie

21)(

)(

rr

rrM

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 6

Gravitationslinsen

Gemäß der ART wird Licht durch ein Gravitationspotential abgelenkt.

Der Ablenkwinkel ist direkt mit der Masse verknüpft, die das Potential bildet.

2

4

cb

GM

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 7

Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster)

Die Kollision zweier Galaxien- cluster hat unterschiedliche Auswirkungen auf Dunkle Materie und Baryonische Materie:

Dunkle Materie: im Prinzip wechselwirkungsfreies Durchdringen

Baryonische Materie: starke Wechselwirkung

Blau: Dunkle Materie (Nachweis durch Linseneffekte)

Rot: heißes Gas (Nachweis durch Röntgenstrahlung)

02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 8

Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster)

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 9

Mögliche Formen von Dunkler Materie

a) Kalte baryonische Dunkle Materie

- kalte Gaswolken/Staubwolken (Problem: Emission von Infrarotstrahlung)

- weiße/braune Zwerge; Planeten

b) Heiße Dunkle Materie

- Neutrinos

Problem: Gesamtmasse der unter a) und b) aufgeführten Materiearten zu klein um beobachtete Effekte zu erklären

c) Kalte Dunkle Materie

- ParticleMassivegInteractinWeaklyWIMP :

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 10

WIMPs

Eigenschaften der WIMPs:

- massiv

- neutral

- schwach wechselwirkend (Paarbildung und Annihilation)

- bekannter Annihilationsquerschnitt (falls thermische Relikte aus dem frühen Universum)

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 11

WIMP-Entkopplung

- bei hohen Temperaturen herrscht thermisches Gleichgewicht und es gilt:

- für T < M gilt:

- sobald die Expansionsrate die Annihilationsrate übertrifft, bleibt die Teilchendichte der WIMPs konstant

onAnnihilatiErzeugung

onAnnihilatiErzeugung

nvH scmv 326102

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 12

WIMP-Dichte

Abschätzung der WIMP-Dichte über die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Milchstraße:

Unter der Annahme einer WIMP-Masse von 100 GeV erhält man ein WIMP-Teilchen pro 100 .

„1 WIMP / coffee cup“

2

2

r

MG

r

v DM DMDM rM 3

3

4

32

2

14

3

cm

GeV

Gr

vDM

3cm

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 13

WIMP-Teilchenkandidaten

Eine große Klasse hoffnungsvoller WIMP-Teilchenkandidaten liefert die Supersymmetrie (SUSY).

Supersymmetrie

Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen und Fermionen ineinander transformiert

SUSY-Operator Q mit Spin 1/2

BosonFermionQ

FermionBosonQ

Minimal mögliche Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik:

MSSM (Minimales Supersym- metrisches Standard Modell)

(120 neue physikalische Parameter! -> LHC?)

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 14

WIMP-Teilchenkandidaten

Hoffnungsvollster WIMP-Kandidat:

LSP (Lightest Supersymmetric Particle)

Geforderte Eigenschaften:

- stabil

- neutral

Neutrale supersymmetrische Teilchen:

- Sneutrinos (s=0)

- Gravitinos (s=3/2)

- Gauginos ( neutrale SUSY-Kraftteilchen mit s=1/2)

- Higgsinos

02.07.10 II. Was ist Dunkle Materie? 15

WIMP-Teilchenkandidaten

Die neutralen Gauginos (Photino und Zino) sind Flavour-Eigenzustände, aber keine Masseneigenzustände.

Die gesuchten Masseneigen-zustände sind die Neutralinos.

Neutralinos

Mischung der neutralen Gauginos und der Higgsinos

Flavour-EZ Massen-EZ

000 ~~~~du HHZ 0

403

02

01

~~~~

LSP

02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 16

Indirekter Nachweis von Dunkler Materie

Ein indirekter Nachweis von Dunkler Materie ist über den Nachweis von sekundären Teilchen aus WIMP-Annihilationsprozessen möglich (z.B. Antiprotonen, Positronen, Neutrinos, Gamma-Strahlung)

Vorgehensweise: Beobachtung von sehr dichten Bereichen des Universums, um hohe Annihilationsrate zu erhalten

Problem: Unterscheidung von WIMP-Signal und Untergrund gestaltet sich schwierig

möglicher Zerfall:

xxqq 20

02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 17

Gammasatelliten - CGRO

CGRO – Compton Gamma Ray Observatory

EGRET – Energetic Gamma Ray Experiment Telescope

Ziel: Katalogisierung von Gamma-Quellen

Parameter:

Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung

Energieintervall 20 MeV - 30 GeV

Energieauflösung ~ 20%

Winkelauflösung 0.08 - 0.5°

effektive Fläche 1500

Datennahme 1991-2000

2cm

02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 18

Gammasatelliten - CGRO

Ergebnis von EGRET:

signifikanter Gamma-Überschuss ab einer Gamma-Energie von 1 GeV

Mögliche Erklärungen:

- Variation der Intensität und des Energiespektrums der kosmischen Strahlung

- Überschuss an Gamma-Quanten durch WIMP-Annihilation

02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 19

Gammasatelliten - CGRO

02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 20

Gammasatelliten - Fermi

Fermi Gamma-ray Space Telescope:

Nachfolgesatellit des CGRO

Parameter:

Ergebnis:

Bestätigung des Gamma-Überschusses, aber immer noch keine eindeutigen Hinweise auf WIMP-Annihilation (-> AMS?)

Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung

Energieintervall 20 MeV - 300 GeV

Winkelauflösung ~ 0.02°

effektive Fläche 1

Datennahme seit 2008

2m

02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden 21

Direkter Nachweis von Dunkler Materie

Ein direkter Nachweis von Dunkler Materie ist über eine elastische WIMP-Kern-Streuung möglich. Die Beobachtung des Rückstoßkerns liefert Erkenntnisse über der Eigenschaften des WIMP-Teilchens.

Geignete Nachweismethoden:

- Phononen

- Szintillation

- Ionisation

02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden 22

Übersicht der Experimente

02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden 23

Edelweiss

Edelweiss – Expérience pour détecter les WIMPs en Site Souterrain

Das Experiment befindet sich im Mondane Untergrund Labor, um störende Einflüsse (z.B. Neutronen, Myonen) abzuschirmen.

Messprinzip des Halbleiter-Bolometers:

Die elastische Streuung eines WIMP-Teilchens an einem Germanium-Kern führt zu dessen Rückstoß.Dieser wiederum bewirkt eine Temperaturerhöhung und eine Ionisation des Kristalls.

02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden 24

Edelweiss-Ergebnisse

02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie 25

Quellen

• Hooper - „Dunkle Materie“

• Klapdor-Kleingrothaus / Zuber - „Teilchenastrophysik“

• Prof. G. Drexlin - Vorlesung „Astroteilchenphysik I“

• Prof. W. de Boer - Vorlesung „Einführung in die Kosmologie“

• www.wikipedia.org

02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie 26

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!