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Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 1 Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie- Antimaterie) Nachweismethoden der DM

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

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Nachweismethoden der DM. Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie). Gravitationslinsen. ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich - PowerPoint PPT Presentation

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Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Nachweismethoden der DM

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Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld

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Gravitationslinsen

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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:sichtbaresGas

Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

dunkel

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Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006

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Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski

Discovery of DM in 1933Zwicky, 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 attractsgalaxies withmore force->higher speed.But still bound!

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Dunkle Materie im Universum

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 sphährischen, sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.

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Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz

v=ωr

v1/r

mv2/r=GmM/r2

Milchstraße

Cygnus

Perseus

OrionSagittarius

Scutum Crux

Norma

Sun (8 kpc from center)

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Do we have Dark Matter in our Galaxy?

RotationcurveSolarsystem

rotation curveMilky Way

1/r

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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)

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• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt

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

Für N groß: und

02 PotKin EE

02

)1(2

2

r

mNNGvmN

NN 1 G

vrMmN

2222 mm

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

Virialsatz

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Kandidaten der DM

Problem: max. 4% der Gesamtenergiedes Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigenKandidaten möglich. Rest der DM mussaus nicht-baryonischen Materie bestehen.

Probleme: ν < 0.7% aus WMAP Datenkombiniert mit Dichtekorrelationender Galaxien. •Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. •Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel. •WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.In Supersymmetrie sind die WIMPSSupersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

?

?

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• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic 23% in the form of Cold Dark Matter

• 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

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

From CMB + SN1a + surveys

DM halo profile of galaxycluster from weak lensing

If it is not darkIt does not matter

What is known about Dark Matter?

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Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22Co

mo

vin

g n

um

ber

d

ensi

ty

x=m/T

Jun

gm

ann

,Kam

ion

kow

ski,

Gri

est,

PR

199

5

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

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

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

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.

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Indirect Dark Matter Searches

Annihilation products fromdark matter annihilation:

Gamma rays(EGRET, FERMI)

Positrons (PAMELA)

Antiprotons (PAMELA)

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

Neutrinos (Icecube, no results yet)

e-, p drown in cosmic rays?

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Neutralino Annihilation channels

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Neutralino-Quark elastische Streuung

Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Massekoppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.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 (weitvon Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung

Spin independent Spin dependent

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

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Direkter Nachweis von WIMPs

Wir gehen davon aus, dassDM Neutralino oder WIMP ist.

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

mit häufigster Wert v=270 km/h

χ χ

Science Voisinage réseau.ico

ER ~ Ekin (1 - cos)

Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuungan Kernen durchführen

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meistkoherent, d.h. Wellenlänge des einlaufendenTeilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/pgrößer als Kernradius, so es kann einzelneKerne nicht auflösen und Rückstoß wird anden gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)

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Principles of WIMP detection

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

• The recoil energy of a nucleus with mass

For

• This recoil can be detected in some ways :

Electric charges released (ionization detector)

Flashes of light produced (scintillation detector)

Vibrations produced (phonon detector)

Nm

310v c

22

2(max) 2

( )recoil x NN

mE v m

m m

610 10recoil NE m keV

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Direkter Nachweis von WIMPs

Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kernkompliziert:

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

Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓

R ~ 7 GeV-1· A⅓

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Direkter Nachweis von WIMPs

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 Kernmassenverteilungwichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierteder Massenverteilung)

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

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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 operatorsin the non-relativistic limit.

EffectiveLagrangian

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Direkter Nachweis von WIMPs

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Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

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Detection challenges

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Background Rejection

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Shielding

Underground +

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Direct Dark Matter Detection

CRESSTROSEBUDCUORICINO

DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA

CRESST IIROSEBUD

CDMSEDELWEISS

XENONZEPLIN II,III,IV

HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (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 performanceBut different methods for improving sensitivity

L. Baudis

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WIMP Searches Worldwide

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Diskutiere nur 4 Beispiele:

Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)

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WärmesignalWärmesignal

LadungssignalLadungssignal

ThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung

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

WIMP WIMP

Ge-Kern

WärmesignalWärmesignal

LadungssignalLadungssignal

ThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung

GeGe KristallKristallbeibei 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.

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Array von Phasenübergangs-

Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Sioder GeEinkristall

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Rückstoß-Energie(keV)

Elektron-Rückstöße

Kern-Rückstöße

Ionisations-Energieschwelle0

0.5

1

1.5

0 50 100 150 200

Kalibration mit 252Cf 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

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Edelweiss Experiment

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CDMS detectors

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Ionization measurement in CDMS

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SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis 10-14T !)

Phonon measurement in CDMS

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CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)

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Fiducial Volume removes edges

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-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

-hohe Dichte gute Selbstabschirmungkompakte Detektoren

XENON

-hohe Massenzahl

-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften

-Betriebstemperatur „leicht“ zu halten (180 K)

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Noble liquids

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Ionization and Scintillation in Xe

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Double Phase Detector Concept

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The XENON10 Experiment (10 kg)

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Cross section limits

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Annual Modulation as unique signature?

JuneJuneDec 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

JuneJune Dec

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

Junev0

galactic center

Sun 230 km/s

Dec.

L. B

audi

s, C

AP

P20

03

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Daten bis 2008Daten bis 2008

Modulation nur in 2-6 keVRegion -> leichte WIMPs(Signal sehr nah an der Schwelle des Detektors!!)

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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 Emfindlichkeit.

c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten)

Zusammenfassung