Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 31.01.2013 1 Einteilung der VL 1.Einführung 2.Hubblesche Gesetz 3.Antigravitation 4.Gravitation 5.Entwicklung des

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 31.01.2013 1

Einteilung der VL

1. Einführung2. Hubblesche Gesetz3. Antigravitation4. Gravitation5. Entwicklung des Universums6. Temperaturentwicklung7. Kosmische Hintergrundstrahlung8. CMB kombiniert mit SN1a9. Strukturbildung10. Neutrinos11. Inflation und GUT12. Direkte Suche nach DM13. Indirekte Suche nach DM

HEUTE


CMB baryonische Materie << gesamte Materie

Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

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

Nachweismethoden der DM


Gravitationslinsen

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


Gravitationslinsen viel stärker als von sichtbarer Materie erwartet

„Einstein Ring“ wenn Quelle, Linseund Beobachter perfekt ausgerichtet

HST, www.discovery.com


Gravitationslinsen

Segmente der Einsteinringe bei nicht perfekter AusrichtungSpektra zeigen, dass Segmente aus EINER Quelle stammen


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


Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006


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!


Dunkle Materie in Galaxien

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

sphärischen, sehr ausgedehnten

Halo umgeben ist.


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)


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.

In Supersymmetrie sind die WIMPSsupersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

†

†

?

?


Direkter Nachweis von WIMPs

Wir gehen davon aus, dassDM ein 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)



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 = mv = A ·10-3 GeV

Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓ ~ 7 GeV-1· A⅓

Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50



Für Neutralinomassen von ca. 50 GeV wird die Empfindlichkeit maximal, weil dann Kern und WIMP ähnliche Masse haben und der ImpulsübertragMaximal wird. Spinunbh. Wirkungsquerschnitt ist (Z=Ladung, A=Anz. Nukl, fp und fn sind Formfaktoren)

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

• 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


Streurate von WIMPs


Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

=5,3g/cm3

A=73=2,9g/cm3

A=28

=5,9g/cm3

A=131


Detection challenges


Background Rejection


Shielding

Underground +


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 performance

But different methods for improving sensitivity

L. Baudis


WIMP Searches Worldwide


Diskutiere nur 4 Beispiele:

EDELWEISS und CDMS (Halbleiterdetektoren:Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)


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, aber viel Rekomb., daher bei Neutronenstreuung weniger Ladung als bei Comptonstr.


Rückstoß-Energie(keV)

Elektron-Rückstöße

Kern-Rückstöße

Ionisations-Energieschwelle0

0.5

1

1.5

0 50 100 150 200

Kalibration mit 252CfKalibration 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

1 per Definition

Signalregion


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


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

Phonon measurement in CDMS


CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)


Fiducial Volume removes edges


-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

-hohe Dichte gute Selbstabschirmung

kompakte Detektoren

XENON

-hohe Massenzahl

-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften

-Betriebstemperatur „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 passivenAbschirmung werden durch Xenon absorbiert und Neutronen werden durch Vielfachstreuung erkannt


Aktive Abschirmung

„Fiducial mass“ 48 kg.

Nachteil von 100 kg: Drift der Ionisation über langerAbstand gibt Verluste durchVerunreinigungen:Ionisationssignal ortsabhängig

Brauche sehr hohe Reinheit!Jetzt im Griff.

Xenon1000 in Vorbereitung


Latest Xenon100 limits

SUSY expectation

100 kg Xenonerlaubt Abschirmungdurch äüßere XenonSchicht


Xenon program


Erwartung


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


Daten bis 2008

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 einem Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch höhere Empfindlichkeit.

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

Zusammenfassung

Documents

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 31.01.2013 1 Einteilung der VL 1.Einführung 2.Hubblesche Gesetz 3.Antigravitation 4.Gravitation 5.Entwicklung des