Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der ... · neglected in the non-relativistic limit for the direct detection. • The axial vector currents are proportional to

Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM

Nachweismethoden der DM

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 16.01.2012 1

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


beim Durchgang durchein Gravitationsfeld

Gravitationslinsen


Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

Rot:sichtbares

Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

dunkel


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

Gas

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 ©Dubinski

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!

Dunkle Materie in Galaxien

Die Rotationskurven von Spiralgalaxien sind weitgehendflach, während die leuchtendeMaterie eine abfallende Kurveerwarten lässt. Erklärung: dunkleMaterie.


Spiralgalaxien bestehen aus einemzentralen Klumpen und einer sehrdünnen Scheibe leuchtenderMaterie, welche von einem nahezusphärischen, sehr ausgedehntenHalo umgeben ist.

Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz

v=ωr Milchstraße

Norma


v1/r

mv2/r=GmM/r2

Cygnus

Perseus

OrionSagittarius

Scutum Crux

Sun (8 kpc from center

Gibt es dunkle Materie in der Milchstraße?

RotationcurveSolarsystem

rotation curveMilky 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 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).

†

Direkter Nachweis von WIMPsWir 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

χ χ

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 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)

Direkter Nachweis von WIMPsBerechnung 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 imDetektormaterial. 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

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

R ~ 7 GeV-1· A⅓

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 Kernmassenverteilung


Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilungwichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierteder Massenverteilung)

Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenzder 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

EffectiveLagrangian


• 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.

Streurate von WIMPs


Direct detection event rates

=5,9g/cm3

A 131


Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

=5,3g/cm3

A=73=2,9g/cm3

A=28

A=131

Detection challenges


Background Rejection


Shielding

Underground +


Direct Dark Matter DetectionCRESSTROSEBUDCUORICINO

CRESST IIROSEBUD

CDMSEDELWEISS

Phonons


DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA

XENONZEPLIN II,III,IV

HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (TPC)

ER

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

WIMP Searches Worldwide


Diskutiere nur 4 Beispiele:

Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:Ionisation und Wärme)


Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)

WärmesignalWärmesignalThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung

GeGe KristallKristallWIMP WIMP

Ge-Kern

WärmesignalWärmesignalThermometerThermometer

ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung

GeGe KristallKristallWIMP WIMP

Ge-Kern

Der Edelweiss Detektor


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 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.

Elektron-Rückstöße

1

1.5Kalibration mit 252Cf

tions-

zu R

ücksto

ß-E

nerg

ie

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

Kalibration

1 per Definition


Rückstoß-Energie(keV)

Kern-Rückstöße

Ionisations-Energieschwelle0

0.5

0 50 100 150 200

Verh

ältnis

Q v

on Ionis

a 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.

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 Wechselwirkungund stoßen nur mit dem Kern, nicht den Elektronen.Der Rückstoß des Kerns oder seine Fragmente erzeugen eine sehr hohe Dichte an Ionisation, diezu einer starken Rekombination von Elektronen und Löcher und daher weniger Ionisation führt.

Edelweiss Experiment


CDMS (Cold DM Search) detectors


Ionization measurement in CDMS


Phonon measurement in CDMS


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

CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)


Fiducial Volume removes edges


-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

-hohe Dichte gute Selbstabschirmungkompakte Detektoren

XENON

-hohe Massenzahl

-Betriebstemperatur leicht“ zu halten (180 K)


-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften

„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


Gammas der passivenAbschirmung werden durch Xenon absorbiert und Neutronen werden durch Vielfachstreuung erkannt

Aktives Abschirmung

„Fiducial mass“ 48 kg.

Nachteil von 100 kg: Drift der Ionisation über langer


Abstand gibt Verluste durchVerunreinigungen:Ionisationssignal ortsabhängig

Brauche sehr hohe Reinheit!Jetzt im Griff.

Xenon1000 in Vorbereitung

Latest Xenon100 limits

100 kg Xenonerlaubt Abschirmungdurch äüßere XenonSchicht


SUSY expectation

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)

v0

galactic center

Sun 230 km/s Dec.


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

June

L. B

audi

s, C

AP

P20

03

DatenDaten bisbis 20082008


Modulation nur in 2-6 keVRegion -> 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 einemDetektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch

Zusammenfassung


ghöhere Empfindlichkeit.

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

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Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der ... · neglected in the non-relativistic limit for the direct detection. • The axial vector currents are proportional to