Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

Folie 1Nachweismethoden der DM
Observations with bullet cluster:
Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter
from weak gravitational lensing
dark matter is weakly interacting!
Rot:
sichtbares
Gas
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.
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v=ωr
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Rotationcurve
Solarsystem
Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”
(for 100 GeV WIMP)
Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
Für N groß: und
wechselwirkender Teilchen M r !
Virialsatz
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.
kombiniert mit Dichtekorrelationen
Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel.
WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.
In Supersymmetrie sind die WIMPS
Supersymmetrische Partner der CMB
†
†
?
?
*
non-baryonic
Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters
of Galaxies but DM widely distributed in halo->
DM must consist of weakly interacting and
massive particles -> WIMP’s
if thermal relic
cluster from weak lensing
It does not matter
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1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!
Einzige Annahme: WIMP = thermisches
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f
T<M: M+M->f+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
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e-, p drown in cosmic rays?
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Sehr 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 (weit
von Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung
Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)
Spin independent
Spin dependent
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
Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT
Neutralino kann wegen
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)
χ
χ
Principles of WIMP detection
Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector
The recoil energy of a nucleus with mass
For
Electric charges released (ionization detector)
Flashes of light produced (scintillation detector)
Vibrations produced (phonon detector)
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 = A ·10-3GeV
R ~ 7 GeV-1· A
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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
reduzierte Masse = M· MN /(MN + M) maximal wird.
Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung
wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte
der Massenverteilung)
der Streuung A2 gering und spinabh. Streuung wird wichtig
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in the non-relativistic limit.
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All techniques have equally aggressive projections for future performance
But different methods for improving sensitivity
L. Baudis
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Kalibration
Phonon measurement in CDMS
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-hohe Dichte
gute Selbstabschirmung
kompakte Detektoren
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Annual modulation: v, so signal in June larger than
in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).
L. Baudis, CAPP2003
Region -> leichte WIMPs
Schwelle des Detektors!!)
Rotationskurven und Gravitationslinsen
Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch
höhere Emfindlichkeit.
(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)
Zusammenfassung