Einteilung der VL - deboer/html/Lehre/... · dark matter is weakly interacting! Rot: sichtbares ... Jodi Cooley, SMU, CDMS ... beibei T= 0,017 KT= 0,017 K WIMP WIMP Ge -Kern

Wim de Boer, Karlsruhe

Kosmologie VL, 31.01.2013 1

Einteilung der VL

1. Einführung

2. Hubblesche Gesetz

3. Antigravitation

4. Gravitation

5. Entwicklung des Universums

6. Temperaturentwicklung

7. Kosmische Hintergrundstrahlung

8. CMB kombiniert mit SN1a

9. Strukturbildung

10. Neutrinos

11. Inflation und GUT

12. Direkte Suche nach DM

13. Indirekte Suche nach DM

HEUTE



CMB baryonische Materie << gesamte Materie

Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM

( Elastische Streuung an Kernen)

Indirekter Nachweis der DM

( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Nachweismethoden der DM



Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von

Licht ändert sich

beim Durchgang durch

ein Gravitationsfeld



Gravitationslinsen viel stärker als

von sichtbarer Materie erwartet

„Einstein Ring“ wenn Quelle, Linse

und Beobachter perfekt ausgerichtet

HST, www.discovery.com



Gravitationslinsen

Segmente der Einsteinringe bei nicht perfekter Ausrichtung

Spektra zeigen, dass Segmente aus EINER Quelle stammen



Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

Observations with bullet cluster:

•Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas

•Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter

from weak gravitational lensing

•Distributions are clearly different after collision->

dark matter is weakly interacting!

Rot:

sichtbares

Gas

Blau: dunkle Materie

aus Gravitations-

potential

dunkel



Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006



Center of the Coma Cluster by

Hubble space telescope ©Dubinski

Discovery of DM in 1933

Zwicky, Fritz (1898-1974)

Zwicky notes in 1933 that

outlying galaxies in Coma cluster

moving much faster than mass

calculated for the visible galaxies

would indicate

DM attracts

galaxies with

more force->

higher speed.

But still bound!



Dunkle Materie in Galaxien

Die Rotationskurven von

Spiralgalaxien sind weitgehend flach,

während die leuchtende Materie eine

abfallende Kurve erwarten lässt.

Erklärung: dunkle Materie.

Spiralgalaxien bestehen aus einem

zentralen Klumpen und einer sehr

dünnen Scheibe leuchtender

Materie, welche von einem nahezu

sphärischen, sehr ausgedehnten

Halo umgeben ist.



Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz

v=ωr

v1/r

mv2/r=GmM/r2

Milchstraße

Cygnus

Perseus

Orion Sagittarius

Scutum Crux

Norma

Sun (8 kpc from center)



Gibt es dunkle Materie in der Milchstraße?

Rotationcurve

Solarsystem

rotation curve

Milky Way 1/r



Estimate of DM density

DM density falls off like 1/r2 for v=const.

Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”

(for 100 GeV WIMP)



Kandidaten der DM

Problem: max. 4% der Gesamtenergie

des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.

Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen

Kandidaten möglich. Rest der DM muss

aus nicht-baryonischen Materie bestehen.

Probleme:

•ν < 0.7% aus WMAP Daten

kombiniert mit Dichtekorrelationen

der Galaxien.

•Für kosmische Strings keine

Vorhersagekraft.

•Abweichungen von Newtons

Gravitationsgesetz nicht plausibel.

In Supersymmetrie sind die WIMPS

supersymmetrische Partner der CMB

d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

†

†

?

?



Direkter Nachweis von WIMPs

Wir gehen davon aus, dass

DM ein Neutralino oder WIMP ist.

Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse

(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mit

v 10-3 c und m 100 GeV

Geschwindigkeitsverteilung der WIMPs

in einem Gravitationsfeld folgt wie

bei Gas in der Atmosphäre

Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT

mit häufigster Wert v=270 km/h

χ χ

ER ~ Ekin (1 - cos)

Neutralino kann wegen

R-Paritätserhaltung

NUR elastische Streuung

an Kernen durchführen

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist

koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden

Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p

größer als Kernradius, so es kann einzelne

Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an

den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-

querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)




Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kern

kompliziert:

Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant,

aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielen

Dann wird abhängig vom Spin S der Kerne im

Detektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz der

Nukleonen mit Spin up und Spin down.

Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-

übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüber

Kernradius R ist oder

Kohärenzbedingung q · R « 1

Impulstransfer q = mv = A ·10-3 GeV

Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓

~ 7 GeV-1· A⅓

Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50




Für Neutralinomassen von ca. 50 GeV wird die Empfindlichkeit maximal,

weil dann Kern und WIMP ähnliche Masse haben und der Impulsübertrag

Maximal wird. Spinunbh. Wirkungsquerschnitt ist

(Z=Ladung, A=Anz. Nukl, fp und fn sind Formfaktoren)

Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung

wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte

der Massenverteilung)

Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenz

der Streuung Z2 oder (A-Z)2 gering und spinabh. Streuung wird wichtig



Neutralino-Quark elastic scattering

scalar interaction

5 5( ) ( ) ( ) ( ) ....q qL f qq d q q

spin-dep. interaction

• The other terms are velocity-dependent contributions and can be

neglected in the non-relativistic limit for the direct detection.

• The axial vector currents are proportional to spin operators

in the non-relativistic limit.

Effective

Lagrangian



Streurate von WIMPs



Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

=5,3

g/cm3

A=73 =2,9

g/cm3

A=28

=5,9

g/cm3

A=131



Detection challenges



Background Rejection



Shielding

Underground +



Direct Dark Matter Detection

CRESST

ROSEBUD

CUORICINO

DAMA

ZEPLIN I

UKDM NaI

LIBRA

CRESST II

ROSEBUD CDMS

EDELWEISS

XENON

ZEPLIN II,III,IV

HDMS

GENIUS

IGEX

MAJORANA

DRIFT (TPC)

ER

Phonons

Ionization Scintillation

Large spread of technologies:

varies the systematic errors, important if positive signal!

All techniques have equally aggressive projections for future performance

But different methods for improving sensitivity

L. Baudis



WIMP Searches Worldwide



Diskutiere nur 4 Beispiele:

EDELWEISS und CDMS

(Halbleiterdetektoren:

Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit:

Ionisation und Szintillation)



WärmesignalWärmesignal

LadungssignalLadungssignal

ThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzur

LadungssammlungLadungssammlung

GeGe KristallKristall

beibei T= 0,017 KT= 0,017 K

WIMP WIMP

Ge-Kern

WärmesignalWärmesignal

LadungssignalLadungssignal

ThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzur

LadungssammlungLadungssammlung

GeGe KristallKristall

beibei T= 0,017 KT= 0,017 K

WIMP WIMP

Ge-Kern

Der Edelweiss Detektor

Messprinzip eines Halbleiter-Bolometers. Kommt es zu einem

elastischen Stoß eines WIMP-Teilchens mit einem Atomkern des

Germanium-Kristalls führt der Kern-Rückstoß zu einer

Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer

registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in

seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den

Oberflächenelektroden ausgelesen wird, aber viel Rekomb., daher

bei Neutronenstreuung weniger Ladung als bei Comptonstr.



Kalibration eines Ge-Bolometers

durch Bestrahlung mit einer 252Cf-

Neutronenquelle: Deutlich

erkennbar sind zwei

Ereignispopulationen, die durch das

Verhältnis von Ionisations- zu

Rückstoß-Energie separiert werden

können. Die auf das

Ionisationssignal angelegte

Energieschwelle (grüne Kurve)

entspricht einer Rückstoßenergie

von 3.5keV. Die Bänder

beschreiben die Bereiche, in denen

90% der Elektron- bzw. Kern-

Rückstöße liegen.

Kalibration

1 per Definition



Quench-Faktor

Verhältnis von Ionisation/Rückstoßenergie ist

per Definition 1 für Elektronen und Gammas

Für Neutronen (und WIMPS) ist dieses Verhältnis

kleiner als 1 („quenched“).

Grund: Neutronen haben nur starke Wechselwirkung

und stoßen nur mit dem Kern, nicht den Elektronen.

Der Rückstoß des Kerns oder seine Fragmente

erzeugen eine sehr hohe Dichte an Ionisation, die

zu einer starken Rekombination von Elektronen und

Löcher und daher weniger Ionisation führt.



Edelweiss Experiment



CDMS (Cold DM Search) detectors



Ionization measurement in CDMS



SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur

Messung von minimalen Änderungen der magnetischen

Feldstärke (bis 10-14T !)

Phonon measurement in CDMS



CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)



Fiducial Volume removes edges



-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

-hohe Dichte gute Selbstabschirmung

kompakte

Detektoren

XENON

-hohe Massenzahl

-niedrige Energieschwelle der

Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und

Szintillationseigenschaften

-Betriebstemperatur „leicht“

zu halten (180 K)



Noble liquids



Ionization and Scintillation in Xe



Double Phase Detector Concept



The XENON10 Experiment (10 kg)



The XENON100 Experiment (100 kg)

Großer Vorteil:

100 kg erlaubt

äußere Lage als aktives

Veto zu benutzen:

Gammas der passiven

Abschirmung werden

durch Xenon absorbiert

und Neutronen werden

durch Vielfachstreuung

erkannt



Aktive Abschirmung

„Fiducial mass“ 48 kg.

Nachteil von 100 kg:

Drift der

Ionisation über langer

Abstand gibt Verluste durch

Verunreinigungen:

Ionisationssignal ortsabhängig

Brauche sehr hohe Reinheit!

Jetzt im Griff.

Xenon1000 in Vorbereitung



Latest Xenon100 limits

SUSY

expectation

100 kg Xenon

erlaubt Abschirmung

durch äüßere Xenon

Schicht



Xenon program



Erwartung



Annual Modulation as unique signature?

June June Dec Dec

95

97

99

101

103

105

-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

±2%

0

25

50

75

100

125

-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

Background

WIMP Signal

June June Dec

Annual modulation: v, so signal in June larger than

in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).

June

v0

galactic center

Sun 230 km/s

Dec.

L. B

au

dis

, C

AP

P2

00

3



Daten bis 2008

Modulation nur in 2-6 keV

Region -> leichte WIMPs

(Signal sehr nah an der

Schwelle des Detektors!!)



a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache

Rotationskurven und Gravitationslinsen

b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einem

Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch

höhere Empfindlichkeit.

c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA

(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)

Zusammenfassung

Documents

Einteilung der VL - deboer/html/Lehre/... · dark matter is weakly interacting! Rot: sichtbares ... Jodi Cooley, SMU, CDMS ... beibei T= 0,017 KT= 0,017 K WIMP WIMP Ge -Kern