1Heute

Heute

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Geheimnisse der Dunklen Materie

Licht und Dunkel im Universum

Dieter H.H. Hoffmann

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Programm

EinleitungKurze Geschichte des UniversumsSymmetrie in der Physik

Expansion des Raumes

Kosmische Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie (Energie)Axion-Experiment am CERNCAST: CERN Axion Solar Telescope

Ungelöste Rätsel

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Kurze Geschichte des Universums

Kosmologische Modelle

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Erzbishof James Usher (Ussher) 1581 -1655 Primas von Irland

Erschaffung des Universums in der Nacht zum Sonntag den 27 Oktober 4004 a.C.Genauere Nachforschung 9 a.m. Londoner Zeit oder 0:00 Ortszeit im Garten Eden.

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BigBang

נךאשית .....

Am Anfang ...

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Planckzeit t ≤ 10-43

Sek.

Hierüber wissen wir nichts. Es fehlt eine Quantentheorie der Gravitation . Unterscheidung von Raum und Zeit in dieser Phase nicht sinnvoll

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t ≈ 10-43-10-34 sT ≈ 1032 K = 1019 GeV

Zunächst existiert eine einzige vereinheitlichte 'Urkraft'

(GUT…)

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t ≈ 10-34- 10-32 s

Inflation Faktor 1050

Universum wird flach homogen und isotrop

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10-32 s

Inflation beendet, "normale Expansion"

(Anti)Quarks und Gluonen

Gravitation, starke und elektroschwache Kraft

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t ≈ 10-12 Sek.

T ≈ 1015 K

Suppe von Quarksund Gluonen (QGP)Quarks und Antiquarks vernichten sich. Es entstehen viele Photonen. Der Überschuss (10-9) an Materie führt dazu, dass alle Antiquarks vernichtet werden. Es bildet sich ein Quark-Gluon Plasma

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t ≈ 1 × 109 Jahre

T ≈ 20 K

Sterne und Galaxien

Bildung schwerer Elemente

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Symmetrie in der Physik

Dieter H.H. Hoffmann

Symmetriebegriff in der Physik

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Kathedrale von Chartres

16x

y

Symmetrie: Kreis

17x

y

Symmetrie: Kreis

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Symmetrie in der Physik

Was kann ich alles anstellen, so daß dieAussage des physikalischen Gesetzes,oder das Ergebnis meines Versucheserhalten bleibt?z.B. Gravitationsgesetz

2R

mMF

⋅⋅= γ

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Newtons Idee"Galilei's Versuche zum Freien Fall"

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Emmy Noether

Born: 23 March 1882 in

Erlangen, Bavaria, Germany

Died: 14 April 1935 in

Bryn Mawr, Pennsylvania,

USA

Symmetry Coserved Quantity

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CPT Symmetrie

C: Ladung + -

P: Parität x,y,z -x-y-z

T: Zeit t -t

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Gelten im Land hinter dem Spiegel die gleichen physikalischen Gesetze?

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So etwas würden wir nicht erwarten

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Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung

Gibt es Paritätsverletzung auch in der starken Wechselwirkung?

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CP-Problem der starken Wechselwirkung

Verletzung der CP-Symmetrie (ein Effekt der auch mit der Vorherrschaft von Materie über Antimaterie im Universum zu tun hat) wird in der schwachen Wechselwirkung beobachtet, aber nicht in der starken Wechselwirkung. Die Standard Theorie der starken WW fordert aberCP Verletzung!

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Ist das stat. el. Dipolmoment des Neutrons = O ?

Die auffälligste Konsequenz von CP Verletzung inder starken Wechselwirkung wäre das Auftreteneines statischen elektrischen Dipolmoments desNeutrons. Einfügen eines solchen Terms in dieGleichungen der Standard-QCD, ergibt einDipolmoment, das 10 Größenordnungen größerist als das beobachtete Dipolmomemt.

Bester experimenteller Wert dn < 10-26 e·cm

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Elektrostatisches Dipolmoment des Neutrons

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Statisches elektr. Dipolmoment des Neutrons

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This can be overcome by introducing afurther symmetry, the spontaneousbreaking of which yields the axion - aneutral pion-like particle that interactsvery feebly. Owing to their potentialabundance in the early universe,axions are also leading candidates forthe dark matter of the universe.

Lösung: Peccei- Quinn (1977)

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Axion : O- Pseudoscalar

Kandidat für Dunkle Materie: 10-6 eV/c2<ma<1.2 eV/c2

The AxionPhys. Rev. Lett40, 219 (1978)

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Urknall und Expansion des Universums

Woran kann man sehen, dass sich das Universum

ausdehnt ?

Stehen wir im Zentrum dieser Expansion?

Nun zurück zum

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Rosinen im Hefeteig Modell

33

Doppler Verschiebung

34

35

36

A. Penzias und W. Wilson

37

Kosmische Hintergrundstrahlung

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39

Teleskop WMAP

Entfernung von der Erde: 1.5 Millionen Kilometer

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

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Was ist WMAP

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Coma Cluster (Zwicky, 1933)

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=1

2·

1: Virial Theorem (1. Semester Mechanik):

2: → ≈ 4.5 · 10

3: Vergleich mit der Leuchtkraft (L) ( Masse – Leuchtkraft Beziehung)

≈ 8.5 · 10

4:

!= " ≈ 500 im Vergleich zu

" = 1 − 7 (Normalbereich)

Es gibt also mehr Masse, als optisch sichtbar ist: Dunkle Materie

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Erster Hinweis auf Dunkle Materie: Clusters of Galaxies

Geschwindigkeiten von Galaxien in Clustern

Zwicky (1933) und Schmidt (1936) untersuchten in den30er Jahren die Geschwindigkeiten von Galaxien im Coma und Virgo ClusterResultat: 10 bis 100 fache

der erwarteten Geschwindigkeit

http://www.astro.queensu.ca/~dursi/dm-tutorial/cluster-sim.html

Dark Matter, Cosmology, and Large-Scale Structure of the Universe.htm

E:\Dokumente und Einstellungen\All Users\Desktop\Mozilla Firefox.lnk

45E:\Dokumente und Einstellungen\All Users\Desktop\Mozilla Firefox.lnk

http://www.michaelschultz.de/planeten/pixel.html

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Keplers Gestz

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Abstand zum Zentrum

=> Überdichte Dunkler Materie im Halo unserer Galaxie

~ 1a

lokale Dichte Dunkler Materie: 0.3 GeV/cm3 = 300.000 keV / cm3

Dunkle Materie: 500gr /

Hinweis auf Dunkle Materie

Messung der lokalen Dichte mit Rotationskurven

Rotations-geschwindigkeit

ΩMat

>

es gibt mehr Materie als wir sehen !

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Woraus besteht das Universum ?

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(1) Germany, FreiburgAlbert-Ludwigs-Universität FreiburgHorst FISCHER, Juergen FRANZ , Fritz Hertbert HEINSIUS, Donghwa KANG, Kay KÖNIGSMANN

(2) Germany, FrankfurtApplied PhysicsVladimir ARSOV, Joachim JACOBY

(3) Germany, GarchingMax-Planck-Gesellschaft (MPG), Max-Planck-Institut für Extraterrestrische PhysikHeinrich BRAUNINGER, Jakob ENGLHAUSER

(4) Germany, MünchenMax-Planck-Institut für Physik, Werner-Heisenberg-InstitutRainer KOTTHAUS, Markus KUSTER, Gerhard LUTZ, Georg RAFFELT

(5) Germany, DarmstadtTechnische Universitat Darmstadt, Institut für KernphysikTheopisti DAFNI , Dieter HOFFMANN, Manfred MUTTERER, Thomas PAPAEVANGELOU, Hans RIEGE, Yannis SEMERTZIDIS

(6) Switzerland, GeneveEuropean Organization for Nuclear Research (CERN)Klaus BARTH, Martyn DAVENPORT, Rui DE OLIVEIRA, Fabio FORMENTI, Michael HASINOFF1, Igor IRASTORZA, Alfredo PLACCI, Laura STEWART, Bruno VULLIERME, Louis WALCKIERS

(7) Greece, ThessalonikiAristotle University of ThessaloníkiSpyridon DEDOUSSIS, Christos ELEFTHERIADIS, Anastasios LIOLIOS, Argyrios NIKOLAIDIS, Ilias SAVVIDIS, Vlasios VASILEIOU, Konstantin ZIOUTAS

(8) Greece, AthensNational Center for Scientific Research "Demokritos" (NRCPS)George FANOURAKIS, Theodoros GERALIS, Katerina ZACHARIADOU

(9) Italy, PisaScuola Normale Superiore (SNS)Luigi DiLella

(10) Russia, Moskva Russian Academy of Sciences, Institute for Nuclear Research (INR)Sergei GNINENKO, Nikolai GOLOUBEV

(11) Spain, Zaragoza Universidad de Zaragoza, Facultad de Ciencias, Instituto de Física Nuclear y Altas EnergíasJose CARMONA, Susana CEBRIAN, Gloria LUZON, Angel MORALES, Julio MORALES, Alfonso ORTIZ DE SOLORZANO, Marisa SARSA, Jose VILLAR

(12) United States of America, Chicago, Il University of Chicago, Enrico Fermi InstituteJuan COLLAR

(13) United State of America, Columbia, Sc University of South Carolina, Department of Physics and AstronomyFrank AVIGNONE, Richard CRESWICK, Horacio FARACH

(14) France, Gif-Sur-YvetteCentre d'Etudes de Saclay (CEA-Saclay), DAPNIAAlain DELBART, Ioanis GIOMATARIS, Samuel ANDRIAMONJE

(15) Croatia, ZagrebRuder Boskovic InstituteMilica KRCMAR, Ante LJUBICIC, B. LAKIC

Dunkle Materie: AXIONEN, …

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GenèveAtlas

CMS

Alice

LHCb

PS

19542004

Urknall im Labor: Teilchenbeschleuniger

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CERN und CAST (CERN Axion Solar Telescope)

CAST

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Solare

Axionen

AXION PHOTON KONVERSION

COHERENCE 1

Prinzip des Experiments

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Nachweis Dunkler Materie (Axionen)

Das CERN wurde 50 Jahre – Tag der

offenen Tür

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Sunset

Photon detectorsSunrise

Photon detectors

Sunset axions

Sunrise axions

Decomissioned LHC test magnet

Rotating platform

3 X-ray detectors

X-ray Focusing Device

Decomissioned LHC test magnet

Rotating platform

3 X-ray detectors

X-ray Focusing Device

Cern Axion Solar Telescope

58..\..\..\Vorträgeppt\2013\cast_tracking_labeled.avi

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HECµM

XRTCCD

HEC

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Tracking System:

Geeicht und korreliert mit Stern Koordinaten (GPS)

Tracking System:

Geeicht und korreliert mit Stern Koordinaten (GPS)

Zweimal jährlich (September&März) sehen wir die

Sonne im Fenster

Zweimal jährlich (September&März) sehen wir die

Sonne im Fenster

Richtg. Sonnenaufg.

Magnet, platform, cryogenics

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Die echten experimentellen Probleme

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Tracking the Sun

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Events measuredon CCD detectorDuring Phase II

Tracking

background

2004 data analysisCCD/Telescope

• Spot position well determined

• Full sensitivity of telescope exploited

• Counts inside the spot compatible with background level

Tracking data Signal simulation

•No axion signal detected

Results CAST Phase I (vacuum)

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Results

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Die Axion-Photon-photon Kopplungs Konstante gαγγ ist die gleiche für beide

• Kaluza-Klein (KK) Axions:– Vorhersagen aufgrund neuer Theorien mit

extra-Dimensionen, vorgeschlagen als Erweiterung des Standard Modells

– Massen Spektrum aller angeregten Kaluza-Klein Zustände bis zu ~ 10 keV / c2

– relativ kurze Lebensdauer: τ ~ m-3

K. Dennerl

Axions kommen in zwei Sorten vor:

•Standard (Peccei-Quinn) Axionen:–Ähnlich dem sehr leichten neutralen pion (π0)–Ruhe Masse ~ 10-6.. 10-1 eV/c2

–Halbwertszeit viel länger als das Alter des Universums

70

Es gibt viele Anzeichen für die Existenz Dunkler Materie im Universum

Wenn DM nicht relativistisch ist (CDM),

dann sollte sich diese Materie in Gravitations-

potentialen einfangen lassen

DM macht sich gravitativ bemerkbar

und sollte daher selbst der Grav.

unterliegen

was ist in unserer Nähe das stärkste Grav. Potential?

Wenn DM Teichen in Photonen zerfallen, dann sollten wir einen Strahlen Halo um

die Sonne sehen !...

... Gibt es so etwas wie einen Halo um die Sonne, den wir

nicht verstehen?

Ja !!

Die Sonne!

K. Dennerl

Allg. Überlegungen zur Dunklen Materie

71total solar eclipse 3 Nov 1994 Chile

Korona ist während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar

Erstmals als unverstandenes Problem Mitte des 19 Jhd. identifiziert

vorher als irdischer Smog oder Mondatmosphäre interpretiert (Kepler, Halley)

seit 1842: Spektroskopie Daten

1900, Ramsey: Anzeichen für ein auf der Erde unbekanntes Element: „Helium“

1939: Grotrian: „Coronium“ ist Strahlung von Fe X and Fe XIIITemperatur > 106 K

2005: Physikalisches Phenomen der Korona Temp. Nicht vollst. geklärt

Das Sonnenkorona Problem

72

Temperaturverlauf in der Sonne

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Sun of September 30th, 2013

74

Sun's 2013 Solar Activity Peak Is Weakest in 100 Years

75

Inserted after the talk due to discussion

http://spaceweather.com/glossary/sunspotnumber.html

76

Correlation : Sunspots and Climate

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Gravitational lensing by the Sun of non-

relativistic penetrating particles

D.H.H Hoffmann, J Jacoby, K ZioutasAstroparticle Physics 01/2003; 20(1):73-78. DOI:10.1016/S0927-6505(03)00138-5

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K. Dennerl

Axions may

•solve symmetry problem

•solve dark matter problem

•solve solar corona problem

•solve ... ?