Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der ...deboer/html/Lehre/... · DM must consist of weakly interacting and ... BhBerechnung des St i k h ittStreuwirkungsquerschnitt

Nachweismethoden der DM

Gravitationslinsen

RotationskurvenRotationskurven

Direkter Nachweis der DMDirekter Nachweis der DM( Elastische Streuung an Kernen)

d k h d Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 1

Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sichbeim Durchgang durchein Gravitationsfeld


Gravitationslinsen


Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

dunkel

Rot:sichtbaresGas

Observations with bullet cluster: •Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas•Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matterHubble Space Telescope and others show distribution of dark matterfrom weak gravitational lensing•Distributions are clearly different after collision-> dark matter is weakly interacting!


dark matter is weakly interacting!

Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006


Discovery of DM in 1933Zwicky, Fritz (1898-1974

Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©DubinskiHubble space telescope ©Dubinski

Zwicky notes in 1933 that tl i l i i C l t

DM attractsl i ithoutlying galaxies in Coma cluster

moving much faster than mass calculated for the visible

galaxies withmore force->higher speed.


galaxies would indicate But still bound!

Dunkle Materie im Universum

Die Rotationskurven von Spiralgalaxien sind weitgehend p g gflach, während die leuchtende Materie eine abfallende Kurve erwarten lässt Erklärung: dunkle erwarten lässt. Erklärung: dunkle Materie.

Spiralgalaxien bestehen aus einem zentralen Klumpen und in r s hr dünn n Sch ib einer sehr dünnen Scheibe

leuchtender Materie, welche von einem nahezu sphährischen,


einem nahezu sphährischen, sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.

Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz

v=ωr Milchstraße

Norma

1/

mv2/r=GmM/r2Perseus

Sagittarius

Scutum Crux

v1/r

Cygnus

OrionSagittariusSun (8 kpc from center

yg


Do we have Dark Matter in our Galaxy?

RotationcurveS l tSolarsystem

rotation curveMilk WMilky Way

1/r


Estimate of DM density

DM density falls off like 1/r2 for v=const.DM ns ty fa s off /r for const.

Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”(for 100 GeV WIMP)


(for 100 GeV WIMP)

Virialsatz

• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt

02 PotKin EE

• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren)1(

2mNN

Für N groß: und

02

)1(2

r

mNNGvmN

NN 1 Gvr

MmN22

22 mm g G

Erwarte also für ´Gas` gravitativErwarte also für Gas gravitativ wechselwirkender Teilchen M r !Aber dann v2M/r = konst -> flat rot curve


Aber dann v M/r konst -> flat rot. curve

Kandidaten der DM

†

?

†

?

?Problem: max. 4% der Gesamtenergiedes Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen

Probleme: •ν < 0.7% aus WMAP Datenkombiniert mit Dichtekorrelationen

†

Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigenKandidaten möglich. Rest der DM mussaus nicht-baryonischen Materie bestehen.

der Galaxien. •Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. •Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibelGravitationsgesetz nicht plausibel. •WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.In Supersymmetrie sind die WIMPS


Supersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

What is known about Dark Matter?

From CMB + SN1a + surveys

• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic23% in the form of Cold Dark Matter23% in the form of Cold Dark Matter

• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo >

If it is not darkIt does not matterof Galaxies but DM widely distributed in halo->

DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s

It does not matter

• Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s, if thermal relic

DM halo profile of galaxy


DM halo profile of galaxycluster from weak lensing

Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

A t l b d

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled stable densityActual abundance

ityR 1

995

T=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

er d

ensi

Grie

st, P

R

WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s

ng n

umb

onko

wsk

i,

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>.DMA ( 2) fä t i d

T=M/22Com

ovin

man

n,K

ami DMA (ρ2) fängt wieder an.

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!T=M/22C

x=m/T

Jung

m Quarks und Leptonen > 0 s > Gammas!

Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des


x m/T ,frühen Universums erzeugt.

Indirect Dark Matter Searches A ihil ti d t fAnnihilation products fromdark matter annihilation:

Gamma rays(EGRET, FERMI)

Positrons (PAMELA)

Antiprotons (PAMELA)

e+ + e-(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 15e-, p drown in cosmic rays?

Neutralino Annihilation channels


Neutralino-Quark elastische Streuung

Spin independent Spin dependent

Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Massekoppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.Sehr empfindlich für s-Quark Anteil im NukleonSehr empfindlich für s Quark Anteil im Nukleon.

Squark Austausch sehr klein, wenn Squark schwer

Z-Austausch klein, wenn Neutralino hauptsächlich Bino ist(Bino koppelt nur an elektrische Ladung)

Zusätzlich geringer Impulsübertrag bei Streuung (weitvon Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung


Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)

Direkter Nachweis von WIMPsWir gehen davon aus, dassDM Neutralino oder WIMP ist.χ χ

Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mitv 10-3 c und m 100 GeV v 10 c und m 100 GeV Geschwindigkeitsverteilung der WIMPsin einem Gravitationsfeld folgt wiebei Gas in der Atmosphäre

Science Voisinage réseau.ico

bei Gas in der Atmosphäre Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT

mit häufigster Wert v=270 km/h ER ~ Ekin (1 - cos)

Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuung

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meistkoherent, d.h. Wellenlänge des einlaufendenTeilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/pg

an Kernen durchführeng g p

größer als Kernradius, so es kann einzelneKerne nicht auflösen und Rückstoß wird anden gesamten Kern abgegeben Wirkungs-


den gesamten Kern abgegeben. Wirkungsquerschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)

Principles of WIMP detection

• Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector

Th il f l ith • The recoil energy of a nucleus with mass Nm2

2( ) 2m

E

For 310

22(max) 2

( )recoil x NN

E v mm m

6For

• This recoil can be detected in some ways :

310v c610 10recoil NE m keV

• This recoil can be detected in some ways :

Electric charges released (ionization detector)

Flashes of light produced (scintillation detector)

Vibrations produced (phonon detector)


Direkter Nachweis von WIMPsB h d St i k h itt i KBerechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kernkompliziert:

Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant,aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielenDann wird abhängig vom Spin S der Kerne img g pDetektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz derNukleonen mit Spin up und Spin down.

Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüberKernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1 Kernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1

Impulstransfer q = A ·10-3GeVKernradius R~ 1.14 fm · A⅓

R 7 G V 1 A⅓R ~ 7 GeV-1· A⅓


Direkter Nachweis von WIMPs

K h b d f ll f K b 50 Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50, d.h. perfekt für Neutralinomassen von ca. 50 GeV, denn bei gleicher Kern und WIMP Masse wird q max, weil dann g qreduzierte Masse = M· MN /(MN + M) maximal wird.

Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann KernmassenverteilungWenn Koherenzbed ngung n cht erfüllt, dann Kernmassenverte lungwichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierteder Massenverteilung)

Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenzder Streuung A2 gering und spinabh Streuung wird wichtigder Streuung A gering und spinabh. Streuung wird wichtig


Neutralino-Quark elastic scattering

l i i

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

i d i i

EffectiveLagrangian

scalar interaction 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 operatorsin the non-relativistic limit


in the non-relativistic limit.

Direkter Nachweis von WIMPs


Direct detection event rates


Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

Detection challenges


Background Rejection


Shielding

Underground +


Direct Dark Matter DetectionCRESSTROSEBUDCUORICINO

CRESST IICDMS

Phonons

ROSEBUDCDMSEDELWEISS

DAMAZEPLIN IUKDM NaI

HDMSGENIUSIGEXMAJORANA

ER

Ionization Scintillation UKDM NaILIBRA

XENONZEPLIN II III IV

MAJORANADRIFT (TPC)

ZEPLIN II,III,IVLarge spread of technologies:varies the systematic errors, important if positive signal!All techniques have equally aggressive projections for future performance

L. Baudis


All techniques have equally aggressive projections for future performanceBut different methods for improving sensitivity

WIMP Searches Worldwide


Diskutiere nur 4 Beispiele:Diskutiere nur 4 Beispiele:

Edelweiss und CDMS Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:Ionisation und Wärme)Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator) DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit: XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)


WärmesignalWärmesignalWärmesignalWärmesignal

Der Edelweiss DetektorWärmesignalWärmesignal

ThermometerThermometerWärmesignalWärmesignal

ThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlungGe-KernElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlungGe-Kern

g gg g

WIMP WIMP

g gg g

WIMP WIMP

LadungssignalLadungssignalGeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K LadungssignalLadungssignalGeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K

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 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 s in Um bun s u in m L dun ssi n l füh t d s n


in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird.

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Schnelle (großflächige) (g g )Auslese

von PhononenSioder GeEinkristall

Array von Ph übPhasenübergangs-

Thermometern


1 5eKalibration

Elektron Rückstöße

1.5Kalibration mit 252Cf

ß-E

ne

rgie

Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer Elektron-Rückstöße

1Rü

cksto durch Bestrahlung mit einer

252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei E i i l ti di d h 1

atio

ns-

zu

Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert

0.5on

Io

nis

a werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve)

Kern-Rückstöße

ältn

is Q

vo g (g )

entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder beschreiben die Bereiche in

Ionisations-Energieschwelle00 50 100 150 200

Ve

rhä beschreiben die Bereiche, in

denen 90% der Elektron- bzw. Kern-Rückstöße liegen.


Rückstoß-Energie(keV)0 50 100 150 200

Edelweiss Experiment


CDMS detectors


Ionization measurement in CDMS


Phonon measurement in CDMS

SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur M n n minim l n Änd n n d m n ti h n


Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis 10-14T !)

CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)


XENON

-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

gute Selbstabschirmung-hohe Dichte

gute Selbstabschirmungkompakte Detektoren

-hohe Massenzahl-hohe Massenzahl

-Betriebstemperatur leicht“ zu halten (180 K)

-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

„leicht zu halten (180 K)

Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschafteng


Noble liquids


Ionization and Scintillation in Xe


Double Phase Detector Concept


The XENON10 Experiment (10 kg)


Cross section limits


Annual Modulation as unique signature?

Annual modulation: v, so signal in June larger than in December due to motion of earth around sun (5-9% effect)in December due to motion of earth around sun (5-9% effect)

galactic center

v0 Sun 230 km/s Dec.

105125

June

03

101

103

±2%50

75

100

WIMP Signal

, CA

PP

200

95

97

99±2%

0

25

50

-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

Background

L. B

audi

s


JuneJuneDec Dec-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

0.5 0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

JuneJune Dec

DatenDaten bisbis 20082008

Modulation nur in 2-6 keVModulation nur in 2 6 keVRegion -> leichte WIMPs(Signal sehr nah an der


Schwelle des Detektors!!)

Zusammenfassung

) DM i G l i i d ti b täti t d h fl h a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache Rotationskurven und Gravitationslinsen

b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einemDetektor weltweit unterwegs, aber brauchen nochghöhere Emfindlichkeit.

) Jäh li h M d l ti d Si l i Lib /DAMAc) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)


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Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der ...deboer/html/Lehre/... · DM must consist of weakly interacting and ... BhBerechnung des St i k h ittStreuwirkungsquerschnitt