Thomas LohseHumboldt-Universität zu BerlinSommerakademie Olang 2014

Dunkle Mächte im Weltall

Phase 1:

Fortschritt (ein Beispiel)

Struktur der Materie (Empedokles et al., ≈ 500 v.Chr.)

• sehr erfolgreich• viele Anwendungen• … etwas grob

Struktur der Materie (Mendelejev, Meyer, 1869)

• Grundlage der modernen Chemie• … aber subatomare/subnukleare Phänomene?

HHiggs

Struktur der Materie (CERN et al., 2012)

Materie Kraftfelder

Skalarfeld (→ Massen)

CERN

4. Juli 2

012CERN

4. Juli 2

012

Standardmodell der Teilchenphysik komplett! → EierlegendeWollmilchSau? Physik „fertig“?

γγh

Phase 2:

Frustration

22% Dunkle Materie

74% Dunkle Energie

4% Materie des Standardmodells

Ist da sonst gar nichts mehr?Das Weltall – Unendliche Weiten

Doch! Wir kennen mal gerade 4%!

Phase 3:

Faszination

Dunkle EnergieMessung der Expansion des Weltalls

mit Standardkerzen

Galaxie NGC 4526

Ia-Supernova 1994D

• sichtbare Helligkeit Entfernung• Rotverschiebung Geschwindigkeit

Ergebnis: Expansionskurve des Weltalls

010 10 3020Jetzt

Milliarden Jahre

Ausdehnungsskala

Urknall

beschleunigte Expansion negativer Vakuumdruck

(dunkle Energie)Þ kosmologische Konstante?Þ neue Skalarfelder?Þ ??????????????????????

Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase

gebremste Expansion Massenanziehung

der (dunklen) Materie

Dunkle Materiebremst Expansion des Alls

• sie ist unsichtbar

• aber nicht unspürbar

Fritz Zwicky (1898 bis 1974)

Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933)

Coma Galaxienhaufen

APOD, 2.5.2010, Dean Rowe

Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem

Der Haufen müsste das 400-fache an

Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein!

Dunkle Materie und Rotation von Galaxien

rv(r)

Galaxiemasse M

r

vFF

r

M 2

Zentrif.G2

Galaxien-Rotationskurven

r

1rv

const.rv

Galaxie ist einen Riesenball

unsichtbarer Dunkel- Materie ... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen

Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen

Galaxien im sichtbares Licht

Heißes Gas (Röntgenstrahlung)

Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt)

NASA/CXC/CfA/STScI

Phase 4:

Forschung(Beispiel: Dunkle Materie)

Bestandsaufnahme

DM-Teilchen• senden keine elektromagne-

tische Strahlung aus,• sind elektrisch neutral,• spüren keine Kernkraft.

DM-Teilchen unterliegen• der Gravitationskraft• und eventuell anderen

“schwachen” Wechselwirkungen

The Sloan Digital Sky Survey

Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!

2 Milliarden Lichtjahre

Deklinations-winkel

1.251.25

Was ist Dunkle Materie?

Populärste Hypothese:

•schwach wechselwirkende neutrale Teilchen

• langsame, massereiche Teilchen ( keine Neutrinos!)

WIMPsWeakly Interacting Massive Particles

Idee: Supersymmetrie (SUSY)

SUSY-Spiegelquark

Spin ½

squark

Spin 0Spin 1

gluon

Spin ½

gluino

Spin 1 / 0

photon Z Higgs-Bosonen

neutralinos Spin ½1χ~

2χ~3χ~

4χ~stabil, DM-Kandidat

Wie sucht man Dunkle Materie?

LHC

Wechselwirkung (jenseits

StandardModell)

SM-Teilchen

SM-TeilchenWIMP

WIMP

direkte Suche

indirekte Suche

1. WIMP-Suche am LHC (CERN)

LHC ab 2015:27 km UmfangKollisionen von 6,5…7 TeV Protonent 25 ns zwischen Paket-Kollisionen40 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision

Der LHC Beschleunigerkomplex

ATLAS-Detektor:Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Der LHC Beschleunigerkomplex

CMS-Detektor:Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Der LHC Beschleunigerkomplex

Das Detektorprinzip

Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

DM-WIMP

DM-WIMP

NeutrinoElektron

Jet

Jet

Jet

Jet

Jet

1χ~e eν

q 1χ~

q~ q

WIMP-Erzeugung am LHCBeispiel: Erzeugung von squarks und gluinos

p pgluino

squark

g~

q~

q2χ~ q

q1χ~

undetektiert

undetektiert

•5 Jets•1 Elektron•fehlende

Energie

Vorsicht Untergund: z.B. WJetspp

eνe

Isoliertes Elektron, Jets, E

e

E

jetjet

jetjet

jet

bisher kompatibel mit Untergrund

2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde

WIMP

Atomkern im Detektor

aus dem Weltall Rückstoß

Energie ≲ 100 keV

zurück ins Weltall

Detektoren:•extrem sensitiv•extrem rein•hoch-

abgeschirmt

Ionisation / Phononen / Photonen

Direkte WIMP-Suche weltweit

Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso)

10 kg KristalleCaWO4

Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer

supraleitende Phasenübergangs-Thermometer (SPT) aus Wolfram

Detektormodul bei < 10 mK

Phonon

Licht

Phononen Licht

WIMP

Unter-grund

✔✔ ✔

-

Resultate liefern noch kein konsistentes Bild…

beste Obergrenze

positive Signale

3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall

WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren:

Zentrum unserer Milchstraße

Zentrum unserer Sonne

NASA

Zwerggalaxien

WIMP

WIMP

γνν,

e

pe

p

Charakteristische Hochenergie-Strahlung:

γνν,

e,p

Gamma-Strahlung

Neutrino-Strahlung

Antimaterie-Strahlung

Nachweis auf der Erde ?

Antimaterie aus dem Weltall

Alpha Magnetic Spectrometer

on ISS

Positron-Anomalie

• WIMP-Annihilation?• Astrophysikalische

Positron-Quelle (naher Pulsar)?

Positronen durch kosmische Strahlung

?

ee

IceCube Neutrino-Detektor am Südpol

WechelwirkungDetektor

Neutrino

Neutrino-Nachweis

Myon

IceCube

WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne

νAlle Teilchen außer

Neutrinos werden in der Sonne absorbiert

Bisher noch kein Signal…

Höchstenergetische Gammastrahlung

H.E.S.S. Cherenkov-Teleskope

Khomas Hochland, Namibia

Fermi-Satellit

~150 pc

Galactic CentreHESS J1745290

SNR G0.90.1HESS J1747281

TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum

supermassives schwarzes Loch

Gamma-Linien aus dem Galaktischen Zentrum?C. Weniger, JCAP 1208 (2012) 007

WIMP WIMP → MWIMP 130 GeV

Phase 5:

Fun

…zurück zu Phase 1 von hier…

Fazit•Mit Higgs-Teilchen ist erstes Skalarfeld entdeckt

•Komplettierung des Standardmodells oder Schlüssel zur Supersymmetrie (Neutralinos, WIMPs)?

•Noch keine Anzeichen für WIMPs am LHC…

•…aber viel Aufregung bei der Suche nach WIMPS aus dem Weltall.

Es bleibt super-spannend. Keep tuned !

Physik macht Spaß

Forschung

Fortschritt

Fun

Frustration

Faszin

atio

n