Die Suche nach dunkler Materie im Weltall

Indirekte Messmethoden

Martin Langowski 195103Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall

16.02.2007

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Inhalt

Einleitung

Indirekte Suche

Gammastrahlen

-511keV Linien mit SPI/Integral

-Überschuss bei diffuser Gammastrahlung

-~TeV Strahlung aus dem galaktischen Zentrum

Antiprotonen & Positionen

-Ballon und Satellitentenexperimente

Neutrinos

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Einleitung

Hinweise auf dunkle Materie - Rotationskurven

- Modelle zur Strukturbildung

- Gravitationslinsen

Erkenntnisse-73% der Masse ist dunkle Energie

-27% der Masse ist Materie

-davon 4% Baryonen -80% der Materie ist Dunkel

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• Indirekte Suche

- Suche nach Sekundärteilchen aus Annihilation von Dunkle Materie Teilchen mit Antidunkle Materie Teilchen (DMA)

- Genaue Kenntnis anderer (nicht so exotischer) Prozesse mit gleichen Sekundärteilchen notwendig

- Mögliche stabile Reaktionsendprodukte :

(alle anderen Zerfallen)

Elektronen, Positronen, Protonen,

Antiprotonen, Photonen und Neutrinos

- Geladene Materie Teilchen ( Elektronen, Protonen) verlieren zu viele Informationen und tauchen zu häufig bei anderen Phänomenen auf.

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Gammastrahlung

• Herkunftsrückschluss möglich• Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie

Teilchens• Oder: Gammastrahlung aus Elektron-Positron-Annihilation in Ruhe

511keV Strahlung• Messungen in verschiedenen Spektralbereichen mit entsprechenden

Instrumenten• (INTEGRAL E=511keV, diffuse Gammastrahlung bei EGRET E>1GeV,

Tscherenkov-Teleskope E~TeV)

• Hintergrund:- WW von kosmischer Strahlung mit interstellaren Medium zumeist durch

pi0 Zerfall- WW von hochenergetischen Elektronen durch Bremsstrahlung, inverse

Comptonstreuung

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511keV Linie mit SPI/Integral

• 20keV-10Mev• Energieauflösung 2keV bei 1MeV

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Energieauflösende Messung

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Instrument Year Flux

(10-3 cm-2 s-1)

Centroid (keV)

Width (keV)

HEAO-3 79-80 1.130.13 510.920.23 1.6+0.9-1.6

GRIS 88 and

92

0.880.07 2.50.4

HEXAGONE 89 1.000.24 511.330.41 2.90+1.10-1.01

TGRS 95-97 1.070.05 510.980.10 1.810.54

SPI 2003 0.99 +0.47-0.21 511.06 +0.17

-0.19 2.95+0.45-0.51

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Herkunftsbestimmende Messung

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• 511keV Strahlung stammt zum Großteil aus dem verdichteten Zentrum der Galaxie (Bulge)

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Interpretation

• 511keV Strahlung stammt aus dem verdichteten Zentrum (Bulge)

• Dort wird auch die größte Dichte dunkler Materie vermutet

Nicht DM Interpretation

- Nicht DM Interpretationen (Astrophys. Phänomene, bei denen Positronen entstehen) aus vorangegangen Experimenten brauchen einen größeren Intensitätsanteil aus der Disc

- Ein entsprechender Anteil wurde nicht gemessen

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Diffuse Gammastrahlung• Erstes Gammastrahlenteleskop im All:

Explorer XI 1961• Mai 1961- September 1961 nur 100 gemessene Photonen aus verschiedensten

Bereichen des Alls welche als „Gammastrahlen Hintergrund“ gedeutet wurden• SAS-2 (1972-73) und COS-B (1975-82) liefern erste vollständige Karten des

Universums im Gammastrahlenbereich

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• 1977 Beginn der Planung von CGRO mit 4 Instrumenten: COMPTEL, BATSE, EGRET, OSSE

• Flugzeit 5.4.1991-4.6.2000

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EGRET

• Funkenkammer zur Richtungsmessung

• Gamma konvertiert in Funkenkammer in e+e-

• NaI(Tl) Kalorimeter zur Energiemessung der e+ und e-

• Antikoinzidenzschild• Energiebereich:

20MeV-30GeV

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Was wurde Gemessen

• Zur Modellierung des Hintergrunds (gelb) wurde das Programm GALPROP genutzt

• Zur Modellierung der Kontur der DMA Kurve wurde Das Programm DarkSusy benutzt

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Interpretationen des Überschusses

• Es gibt eine Gruppe (W. de Boer et al.) die Überschuss mit DM erklärt ( => wird im folgendem behandelt)

• Andere Gruppen Erklären den Überschuss als Fehlmodellierung

• Dabei können z.B. leichte Änderungen der Kern und Elektron Spektren zur Erklärung des Überschusses führen

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Messung in 6 Raumrichtungen

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Erste Schlüsse

• Der Überschuss der diffusen Gammmastrahlung bei Energien >1GeV ist in allen Raumrichtungen zu sehen

• Der Überschuss entsteht durch DMA von Wimps mit einer Ruhmasse von 50GeV-100GeV

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• Ausweitung der Messungen auf viele ( hier 180 ) Raumrichtungen

• Unter Annahme bestimmter Voraussetzungen der Strukturentstehung, ist der Überschuss proportional zum Integral über das Quadrat der DM Dichte in Sichtrichtung

• Dies liefert Hinweise auf das Haloprofil• Mit diesem lässt sich dann auch die

Rotationskurve der Milchstrasse erklären(Halo + 2 Ringe bei 4kpc und bei 14kpc)

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• Parameterisierung des Haloprofils aus empirischen Beochbachtungen

• Isothermales Haloprofil (alpha,beta,gamma)=(2,2,0)• a ist der Skalierungsradius• r ist Radius• rho0 ist Dichte bei r=0

für große r ist rho proportional zu

1/r^2

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• konstante Energie >0,5GeV

• Flussdichte über galaktische Länge dargestellt in festem Bereich galaktischer Breite

• links: isothermisches Haloprofil als DM

• rechts: isothermisches Haloprofil + 2 Ringe bei4kpc und 14kpc als DM

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• Sichtbare Materie

• DM Beitrag gesamt

• DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring

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Galaktisches Zentrum• Schwarzes Loch Sgr A* mit

3*10^6 Sonnenmassen• Supernovaüberrest Sgr A East• Gebiet mit hoher Dichte an

ionisierten Wasserstoff Sgr A West

• Zuerst gefunden als Radioquelle mit geringer Luminosität

• Variabel in Zeitskalen <1h im Infrarotband und für Röntgenstrahlung, aber nicht bei Gammastrahlung

Hochenergetische Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum

Sgr A East

Sgr A*

3‘

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Signal und Interpretation• Es wurde E^2*Flussdichte

=E^(-2,2) gemessen• Zur Erklärung benötigt man Wimp mit

Masse>12TeV, da dort kein cutoff zu erkennen

• Andere DM Erklärung:

Teilchen aus sogenannter Kaluza-Klein-Theorie

- Zur KK-DM Erklärung wird ein großer Fluss und/oder ein großer Wirkungsquerschnitt benötigt

• Diese können alleine das Spektrum nicht erklären

• Es muss weitere Phänomene geben, die Beitragen

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Antiprotonen

• Keine Ortsangabe der Quelle möglich• Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des

Dunkle Materie Teilchens• Hohe Reichweite im interstellaren Medium, d.h.

Antiprotonen können aus der ganzen Milchstraße (Durchmesser ca. 30 kpc) die Erde erreichen (auf gekrümmten Bahnen)

• Hintergrund: Antiprotonen entstehen bei Stößen von Protonen mit dem Interstellaren Medium (zumeist Wasserstoff) oder in Erdatmosphäre

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Positronen• Keine Ortsangabe der Quelle möglich• Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des

Dunkle Materie Teilchens• Kurze Reichweite (wenige kpc) aufgrund hoher

Energieverluste(z.B. durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung, Synchrotonstrahlung)

- auch vorteilhaft, da Hintergrund Modellierung einfacher

• Hintergrund: Positronen aus Wechselwirkung von Photonen mit geladener Kosmischer Strahlung u.a. Astrophysikalische Phänomene (Supernovae, Pulsare…)

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Antiprotonen und Positronen Suche

Ballonexperimente• Erste Messungen 1979

Heutige Experimente• BESS seit 1993 jährlich ca.10h/a bis 2004 etwa 2000 Antiprotonen

gemessen (1993 nur 6)

Größenordnung des Verhältnis der Antiprotonen zu Protonen O(10^-5)

Seit 2004 BESS-Polar mit Flugdauern von ca.10Tagen• CAPRICE (94 und 98)• HEAT (sowohl e+e- als auch pbar Suche)

Satellitenexperimente

AMS(01 Testflug 1998, 02 ab 2008), Pamela(2006)

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Messinstrumente

• oben: • BESS-

Polar• unten von

links:• HEAT e+-• HEAT

pbar• AMS-02

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Kurze Beschreibung

• Übergangsstrahlungsdetektor (TRD)

• Flugzeitzähler(TOF)• Tscherenkovzähler(RICH)• Elektromagnetisches

Kalorimeter(ECAL)• Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC)• Si-Spurdetektor(Tracker)• Supraleitender Magnet (ca.1T)

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Bisherige Erkenntnisse

• BESS:• Fluss und Energieabhängigkeit des

Antiproton/Proton Verhältnisses lassen sich ohne Dunkle Materie klären

• HEAT:• Positronen sind reine Sekundärteilchen von

Kernwechselwirkungen im interstellaren Raum• Allerdings kann DM noch nicht ausgeschlossen

werden

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• Positronfraction (#e+/#e-) für Energien von 1GeV-30GeV

• HEAT Messwerte 94/95 rot

Messwerte 2000 blau

• Modell für Spektrum mit zusätzlichen Anteil von DM aus Kaluza-Klein-Theorie schwarz

• gestrichelte Linien für andere e+ Diffusionsparameter

=> DM aus KK-Theorie als Strahlungsquelle noch nicht ausgeschlossen

D. Hooper, hep-ph/0409272

e+ diffusion parameters

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Neutrinos

• Herkunftsrückschluss möglich• Ist selbst WIMP ( Heiße Dunkle Materie)• Nur schwach wechselwirkend, deshalb nur

schwer (mit riesigen Detektoren) nachzuweisen• Messungen in unterschiedlichen

Spektralbereichen• Durchdringt auch Regionen durch die andere

Teilchen wegen WW nicht durchkommen ( Neutrinos aus inneren der Sonne, Erde u.a. falls sich DM dort sammelt )

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Zusammenfassung

• Indirekte Suche nach DM über Sekundärteilchen von DM Annihilation möglich

• Es wurden tatsächlich Signale gemessen, die mit DM erklärt werden können

• Aber: Zumeist gibt es starke Gegenargumente

• Eindeutiger Nachweis der Existenz von DM mit indirekter Suche steht noch aus

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Ergänzungen, Meinungen, Fragen ?

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