Indirekter Nachweis dunklerMaterie

Hauptseminar von Joschka Tepelmann 05.07.13

Gliederung● Kurze historische Begründung für die dunkle

Materie● Verschiedene Arten von dunkler Materie● Neutralino-Annihilation● Experimente zum indirekten Nachweis von DM

Was ist dunkle Materie?

● 1933 vom Schweizer Astronom Zwicky postuliert (Anwendung des Virialsatzes auf einen Galaxienhaufen)

● Für die Erklärung der Bahngeschwindigkeit der äußeren Sternen von Galaxien notwendig

● Für die Erklärung des Gravitationslinseneffekts großer Galaxien notwendig

Arten von dunkler Materie (DM)

● Baryonische DM● Nichtbaryonische DM● Heiße DM (Geringe Masse)● Kalte DM (Große Masse)

Baryonische DM

● Die Baryonenmassendichte nach oben hin stark beschränkt sein, wenn man die Theorie der primordinalen Nukleosynthese nicht aufgeben will

● Auch experimentell konnten über Gravitationslinseneffekte keinen nennenswerte Anteile bestimmt werden

Der einzig einzig ernstzunehmende Kandidat für diese Form von DM sind MACHOS(Massive astrophysical compact halo object)

Nicht-Baryonische DM

● Neutrinos können aufgrund des kosmologischen Bottom-Up-Szenarios als wesentlicher Beitrag zur DM ausgeschlossen werden

● Das WIMP ist das derzeit favorisierte Teilchen für den größten Anteil an DM

● Wahrscheinlichster Kandidat für das WIMP ist das leichteste Neutralino aus den supersymmentrischen Erweiterungen des Standardmodells

Heiße DM Kalte DM

Eigenschaften der Neutralinos

● Unterliegt nur der gravitativen und schwachen Wechselwirkung (Trägt weder elektrische-noch Farbladung)

● Masse liegt wahrscheinlich zwischen 50 GeV und einigen TeV

● Wird aus Überlagerungen der 2 neutralen Higgsinos und den neutralen Superpartnern der Eichbosonen des Standardmodells (Photino und Zino) gebildet

● Neutralinos sind Majorana-Teilchen und damit mit ihren Antiteilchen identisch

● Das leichteste Neutralino ist in R-Paritätserhaltenden, supersymmetrischen Theorien stabil

Verteilung der DM

● Aufgrund der Rotationskurven von Galaxien erwartet man, dass für die DM-Dichte im Randgebiet von Galaxien abfällt

● Auch innerhalb einer Galaxis sind höhere DM-Dichten innerhalb von Gravitationspotentialen (z.B. innerhalb unserer Sonne) zu erwarten

● Im frühen Universum konnten SM-Teilchen auch WIMPs erzeugen (→Thermisches Gleichgewicht)

● Mit sinkender Temperatur sinkt die Annihilationsrate

● Ab einem bestimmten Zeitpunkt gilt: Expansionsrate>Annihilationsrate

➔ WIMP-Dichte bleibt in etwa konstant

●

Unterschiede zum direkten Nachweis

● Nachweis über Streuprozesse der eigentlichen gesuchten Teilchen

● Nachweis über die bei der Annihilation zweier WIMPs entstehenden Produkte

Direkter Nachweis Indirekter Nachweis

Annihilation von NeutralinosZwei Neutralinos können sich über eine Vielzahl von verschiedenen Feynmanngraphen vernichten; folgende Prozesse am wichtigsten:

Annihilation von Neutralinos

● Neutrinos

● Photonen (Gammastrahlung)

● Geladenen Teilchen

Die Endzustände der gezeigten Prozesse zerfallen solange bis nur noch stabile Teilchen übrig sind; der indirekte Nachweis von DMerfolgt daher über den Nachweis von:

Experimente zum Nachweis von DM

● Indirekter Nachweis durch Neutrinos (ANTARES, IceCube, SuperKamiokande)

● Indirekter Nachweis durch Gammastrahlung (LAT,EGRET)

● Indirekter Nachweis durch Kosmische Strahlung (PAMELA, AMS)

Nachweis von DM durch Neutrinos

● WIMPs sammeln sich aufgrund der gravitativen Wechselwirkung im Zentrum der Sonne und der Erde an

➔ Die WIMP-Dichte steigt dort an und damit steigt auch der Wirkungsquerschnitt für die Annihilation

● Die bei diesen Prozessen entstehenden Neutrinos können mithilfe von Neutrinoteleskopen detektiert werden können

ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and enviromental RESearch)

● Befindet sich 30 km vor der Küste von Toulon (Südfrankreich)

● Vollständig fertiggestellt seit Mai 2008

● Detektorfläche beträgt 0,1km²

● 12 Kabel mit jeweils 75 Photomultipliern; insgesamt 900

Tscherenkov-Strahlung● Entsteht, wenn geladene Teilchen in einem Medium schneller bewegen als die

Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium (c(Wasser)≈225000km/s)

● Strahlung der induzierten Dipole interferiert konstruktiv

➔ Entstehung einer Wellenfront mit Winkel θ zur Bahn des Teilchens

cosθ=1/(n*β)

Messprinzip von ANTARES

● Lage unter der Meeresoberfläche blockiert einen Großteil der kosmischen Strahlung

● μ-Neutrinos wechselwirken mit dem Wasser des Mittelmeers

➔ Erzeugung von hochenergetischen Myonen ➔ Messung der Tscherenkov-Strahlung, die von den

hochrelativistischen Teilchen im Wasser erzeugt wird

Diskriminierung atmosphärischer Myonen

● Die große Wasserschicht über dem Detektor erleichtert die Unterscheidung

➔ Genaue Winkelmessung ist erforderlich

Nachweis von DM durch Gammastrahlung

● Gammastrahlung entsteht vor allem durch den Zerfall der durch die Annihilation der Neutralinos entstandenen Pionen

● Die Einfallsrichtung der Gammastrahlung lässt sich ohne Schwierigkeiten bestimmen

● Gammastrahlung aus dem Zentrum der Milchstraße ist ein vielversprechender Hinweis auf Neutralinoannihilation

Fermi Gamma-ray Space Telescope● Wurde am 11. Juni 2008 gestartet

● Führt Messungen im Bereich von 10keV-300GeV durch

● An Bord befinden sich LAT(Large Area Telescope) und GBM (Gamma-ray Burst Monitor)

FGST vor dem Start

Funktionsweise des LAT

● Gammas durchqueren das Antikoinzendezschild

● Gammas erzeugen in der Wolframfolie Elektron-Positron-Paare

● Die Detektoren zeichnen die Bahn das Paares auf

● Im Kalorimeter wird die Energie des Paares gemessen

● Wird ein Signal am Antikoinzidenzschild registriert, so wird die Messung verworfen

Möglicher Hinweis auf DM

● Im August 2012: Veröffentlichung eines Papers von Christoph Weniger (Kein Mitglied der Fermigruppe)

● Die Analyse ergab eine Gammalinie mit E≈130GeV und einer Signifikanz von 3.2σ

● Mittlerweile aber leider eher unwahrscheinlich, dass die Linie von einer DM-Annihilation herrührt

PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei

Astrophysics)● Befestigt am russischen Erdbeobachtungssatelliten Resurs-

DK1

● Gestartet im Juni 2006

● Versucht DM-Annihilationen durch die Messung von Antiprotonen-und Positronenflüsse nachzuweisen

● Energiebereich für Positronenflüsse: 80 MeV-190 GeV

● Energiebereich für Antiprotonenflüsse: 50 Mev-270 GeV

Messprinzip von PAMELA

1. Ein magnetisches Spektrometer misst das Verhältnis p/q sowie das Vorzeichen der Ladung

2. Ein elektromagnetisches Kalorimeter sorgt für die Unterscheidung von Elektronen und Antiprotonen bzw. Protonen und Positronen

Möglicher Hinweis auf DM

● 2008: Veröffentlichung von Daten, die eine Positronenüberschuss aufweisen

● Es wurde jedoch kein Antiprotonenüberschuss festgestellt

● Der fehlende Abfall des gemessenen Postitronenüberschuss bei höheren Energien macht DM-Annihilation als Ursache wieder unwahrscheinlicher

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!