seminar ss 2005: aktuelle forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · evidenzen die suche nach...
TRANSCRIPT
![Page 1: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/1.jpg)
Die Suche nach dunkler Materie
Sprecher: Jens Frangenheim
Betreuerin: Dr. K. Klein
Seminar SS 2005:Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik
?? ??
Die Suche nach dunkler MaterieTitelseite
01
![Page 2: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/2.jpg)
Prolog
Die Suche nach dunkler MaterieProlog
Dunkle Materie
dunkel – nicht sichtbar
keine „normale“ Materie
(Sterne, Planeten, Studenten)
Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994)
02
![Page 3: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/3.jpg)
Prolog
Die Suche nach dunkler MaterieProlog
Dunkle Materie
dunkel – nicht sichtbar
keine „normale“ Materie
(Sterne, Planeten, Studenten)
Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994)
DAMA (100 kg NaI(Tl) Detektor)
03
![Page 4: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/4.jpg)
Inhalt
Die Suche nach dunkler MaterieInhalt
Evidenzen für dunkle Materie (DM): Warum ? Woher ? Welche Form ? Kandidaten für dunkle Materie Experimente zur Suche nach DM - WIMP's (direkt/indirekt) - Axionen Zusammenfassung und Ausblick
Schlussbemerkung
04
![Page 5: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/5.jpg)
Evidenzen für DM
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen
• Rotationskurven von Sternen in Galaxien
• Galaxienbewegungen, Gravitationslinsen
• Kosmologie (kosmische Hintergrundstrahlung, Strukturbildung, Elementenhäufigkeit) (WMAP)
05
Astronomie
![Page 6: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/6.jpg)
Rotationskurven von Sternen von Sternen
Bei Milchstraße (und anderen Spiralgalaxien) leuchtende Materie auf einer Scheibe konzentriert
Nach Newton (Kepler) -Abfall für Umlaufgeschwindigkeit erwartet
Beobachtet wird für einzelne Sterne am Rand der Scheibe eine konstante Umlaufgeschwindigkeit
Evidenzen: Astronomie Die Suche nach dunkler Materie
1r
Die Milchstraße
06
F Z=FG⇒mSternvRot
2
R=M GalaxiemStern
R2 ⇒v=M Galaxie
R
1pc=3,26 Lichtjahre (ly)= 3,09 .1016m
![Page 7: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/7.jpg)
Halo aus dunkler Materie07
Die Suche nach dunkler Materie
sichtbar , dunkel=c0
a2r2
c0=1,6⋅109 M S
kpca=2,8 kpc
1 kpc=3,26 ly
Annahme von zusätzlicher Materie mit erklärt dies~1/r2
Quelle für Parameter: Vorlesung Professor Berger
Halomodell
Evidenzen: Astronomie
![Page 8: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/8.jpg)
Die Suche nach dunkler Materie
08
Außerhalb von 30 kpc findet man kaum noch Sterne
Bei unserem „Nachbarn“ sieht dies ähnlich aus ....
Evidenzen: Astronomie
Unsöld: D
er neue Kosm
os
![Page 9: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/9.jpg)
Die Suche nach dunkler Materie
09
Dies alles ist schon lange bekannt. Doch es wurde DM in Form von Nebeln, Braunen Zwergen, .... vermutet ....
Für andere Galaxien findet man ähnliche „Rotationskurven“
Evidenzen: Astronomie
![Page 10: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/10.jpg)
Anzahl der gefundenen Objekte reicht nicht aus, um die Rotationskurven zu erklären
MAssiv Compact Halo Objekts
Kosmologie Suche zwecklos
doch vorher weitere astronomische Beobachtungen
Evidenzen: Astronomie Die Suche nach dunkler Materie
010
![Page 11: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/11.jpg)
Die Suche nach dunkler Materie
Bei , einer Galaxiendichte von 5.10-3 /Mpc3 und einer angenommenen Dichteverteilung der DM von ~1/r2 muss sich das DM-Halo einer Galaxie bis 700 kpc weit erstrecken
Gravitationslinseneffekte an Galaxienhaufen und Messungen der kin. Energie von Nebeln sind mit verträglichM≈0,3
ganze Galaxienhaufen müssen in DM eingebettet sein
M≈0,311
M=????M=???
Kosmologie
Evidenzen: Astronomie
![Page 12: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/12.jpg)
Einschub: Kosmologie
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen: Kosmologie
Grundlage zur Beschreibung des Universums: Friedmann-Gleichungen
(Folgen aus der ART bei Annahme eines auf großen Skalen homogenen Universum)
Beschreibung der Dynamik des Universums:
RR 2
=33− k c2
R2 RR =−6 3 pc2 3
k=0,±1: Krümmung R: Abstandsskala =8G:Gravitation c2 : Energiedichte : Kosmologische Konstante , p=Druck
Mit V=/ ,T=MRV , pC=3H 0
2
=9,74⋅10−27 kg /m3=5GeV /m3=5P /m3 ,
MRVK=1,H 0=Hubbelkonstante=72 km / s /Mpc folgt :
RRo 2
=H 02 M R0
R R R0
R 2
V RR0 2
K
12
![Page 13: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/13.jpg)
Die Suche nach dunkler Materie
13
Supernovae-Untersuchungen: , Universum expandiert beschleunigt
WMAP: , Universum flach
0
k=K=0
Evidenzen: Kosmologie
Heutiges Wissen
q0=M
2−V
Größe des Universums
Alter des Universums
![Page 14: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/14.jpg)
WMAP
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen: WMAP
Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe
14
Beste Quelle für kosmologische Daten Läuft seit 2002 Frequenzbereich 22-90 GHz (Misst bei 5 verschiedenen Frequenzen, um Störungen heraus rechnen zu können) Durchmesser „Schüssel“ 1,5m → Auflösung: 0,2° Gekühlte Elektronik: 4µK-Sensibilität (Rauschen)
1,5m
1,5 Mio. km
Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB)
Untersuchung der Anisothropien
Quelle: http://map.gsfc.nasa.gov
![Page 15: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/15.jpg)
Evidenzen: WMAP Die Suche nach dunkler Materie
15
Positionierung im Lagrange-Punkt L2
Äquipotenzialfläche = stabile Bahn
Strahlung der Sonne wird minimiert
kein Erdmagnetfeld
Messung von absoluten Temperaturen wegen Störungen schwierig
Messung der Himmelstemperatur im Abstand θ mit 2 Antennen
Störungen fallen heraus, bzw. ...
Position und Messtechnik
![Page 16: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/16.jpg)
Auswertung
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen: WMAP
16
Bewegung des Sonnensystemsrelativ zum Galaxiezentrum undGalaxienhaufen
Michstraßen-hintergrund
Entwicklung der Temperaturabweichung ∆T zum Mittelwert T0 nach Kugelflächenfunktionen
Koeffizienten der Entwicklung:
Die Entwicklung ergibt:
c l = 12 l1∑m ∣al ,m∣
2
K cos= 14∑l 2 l1c l P l cos
Maß für die T-Schwankungen
Maß für Leistungsspektrum
Frequenzen „zusammenfassen“
![Page 17: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/17.jpg)
Resultate
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen: WMAP
17
∑i=1,02±0,02 , V=0,72M=0,27±0,04 , Bary=0,044±0,004 , lum=0,01
CDM−Modell Kosmologische Konstante und kalte ?? DM
Maß für Krümmung
Maß für B
![Page 18: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/18.jpg)
Evidenzen: WMAP Die Suche nach dunkler Materie
18
kalte ?? DM
CMB-Anisothropien nach WMAP
![Page 19: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/19.jpg)
Evidenzen: WMAP Die Suche nach dunkler Materie
19
kalte ?? DM
CMB-Anisothropien nach WMAPAachen vor (13,7 ± 0,2 – 0,0004).109 a
heutige Strukturen ???
![Page 20: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/20.jpg)
Strukturbildung
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen
CMB zeigt Universum bei der Entkopplung von Materie (baryonisch !!!) und Strahlung
Anomalien der CMB reichen nicht zur Strukturbildung, d.h. zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien) auf Grund der Gravitation
Keime aus DM nötig
20
DM wechselwirkt nicht mit PhotonenKann schon vorher entkoppeln und „klumpen“
![Page 21: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/21.jpg)
Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie
21
Verhältnis Deuterium/Helium (Li, ...) hängt von der Baryonendichte im frühen Universum ab (bei höherer Dichte verschmelzen mehr Deuteriumkerne)
Universum: ~75% 1H, ~ 25% 4He, <1% 2D, schwerere Elemente nur in Spuren
Elementenhäufigkeit
auch hier wieder DM ist nicht baryonisch
![Page 22: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/22.jpg)
Die Suche nach dunkler MaterieEvidenzen
Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus Materie
Davon sind nur 4 % von bekannter Form (baryonisch)
Ohne DM wäre die Dynamik des Universums anders und Strukturen hätten sich so nicht gebildet
70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie. (Von DM wissen wir nicht, was das ist. Von Dunkler Energie wissen wir noch weniger, was das ist.)
22
CDM−Modell
![Page 23: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/23.jpg)
Kandidaten für DM
Die Suche nach dunkler MaterieKandidaten
Leichtestes supersymmetrisches Teilchen: Neutralino, nicht relativitisch (cold dark matter) WIMP's (Weakly interacting massive particel) - stabil (falls R-Parität erhalten) - im SUGRA-Modell:leichtestes Teilchen: Neutralino - Linearkombination aus - m> 50,3 GeV (LEP) (im Folgendem nur Spin-unabhängige WW angenommen)
Axionen: Sehr leichte (<1 eV) Teilchen, in der Theorie zur Lösung des starken CP-Problems gefordert
Schweres Neutrino (>45 GeV = m(Z)/2) der vierten Familie (nicht durch LEP ausgeschlossen)
Unbekannte Teilchen (auch theoretisch)
23
Vortrag: Suche nach Supersymmetrie
Vortrag: Einführung in das Standard Modell
10
, Z 0 , H 10 , H 2
0
![Page 24: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/24.jpg)
Keine Kandidaten für DM
Die Suche nach dunkler MaterieKandidaten
(„Normale“) Neutrinos - Notwendige Masse, um DM zu erklären: - Direkte Massenbestimmung (β-Zerfall):
- Neutrinooszillation: - Neutrinos sind leicht, bewegen sich mit c treiben Materie auseinander- Dunkle Materie aus relativistischen Neutrinos:
Simulationrechnung mit WMAP-Daten: Heutige Strukturen (Galaxien)
hätten sich nicht gebildet
Schwarze Löcher aus abgebrannten Sternen baryonische Materie MACHOS: Baryonisch
mi=16eV
me3eV
Ωmatter ~ 0.30 Ων < 0.02
24
Vorträge:-Solare Neutrinos und Neutrinos aus Kernreaktoren-Atmosphärische Neutrinos und Neutrinos von Beschleunigern
m210−3eV 2⇒m≈me
![Page 25: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/25.jpg)
Die Suche nach dunkler MaterieKandidaten
- Gravitationsgesetz ist falsch (Auf großen Distanzen)
- Mini-Blackholes ? (eigentlich auch Materie, würden auch Schwarze Löcher in Galaxie-Zentren erklären)
- Quintessenz (eigentlich nur Dunkle Energie, wenn sie Abstoßung bewirkt)
mid 2 r idt2 =−G ∑
j=1, j≠i
N mim j r i−r j ∣r i−r j∣
3
R−R2g=−
8Gc4 T
(Newton)
(Einstein(Riemann, Mach))
???????????????????????????
Erde GravitationWasser Elektromagnetische WWFeuer Starke WWLuft Schwache WW??? ?????? ???
....keine DM nötig falls: 25
Vortrag: Extra-Dimensionen und Mini-Blackholes
Sixtessenz
![Page 26: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/26.jpg)
Experimente zur Suche nach DM
Experimente Die Suche nach dunkler Materie
26
Motivation:
Standardmodell kann dunkle Materie nicht erklären
Suche nach SUSY abseits von Beschleunigern (WIMP's)
Suche nach neuer Physik (neue, nicht in Theorien vorkommende Teilchen)
![Page 27: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/27.jpg)
Experimente zur Suche nach DM
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente
Direkte Suche - DAMA (NaI(Tl), Szintillationslicht)
- CRESST (Phononen, Szintillationslicht)
- Edelweiß (Phononen, Ladung)
Indirekte Suche: AMS-Experiment (WIMP's) (u.a. I + III. Physikalisches Institut, RWTH Aachen)
χ
e+Erde
Gravitation
27
Majorana-TeilchenDetektore-
L. B
audi
s: „
Expe
rime n
tal
sear
ches
of d
ark
ma t
ter“
![Page 28: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/28.jpg)
Annahmen
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente
vSonne=232 km/s=60° Sonne
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
DM
ErdevErde=30 km/h
Galaxiezentrum
v t =vSonnevErde coscos t−t0 =2/a t0=2. Juni maximale Rate S k [t ]=∫
EE k
dRdER
dER≃S 0, kSm , k cos t−t0
E kin=12mv2
vmax=247km / s , m≈60−1000GeV /c2
E kin≈20−340 keV
Gilt für alle Experimente
Anomale Modulation,die während eines Jahresauftreten sollte
28
S: RateR: Wirkungsquerschnitt
![Page 29: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/29.jpg)
Untergrund und Abschirmung
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: DAMA
Kosmische Myonen~ 0,01Bq/kg: ~ 105 Ereign. /kg /Woche
maximal erwartete Signal-Ereignisse: 1 /kg /Woche
Detektor
Umgebungsstrahlung(Uran, Thorium, Radon, ...)
Abschirmung
~ km
> 1Hz/kg ~ 106 Ereign. /kg /Woche
210Pb
29
![Page 30: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/30.jpg)
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente
Suche nach WIMP's
Aachen (u.a.): AMS(indirekt)
DAMAEDELWEISS CRESST
30
![Page 31: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/31.jpg)
DAMA
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: DAMA
particle DArk MAtter searches withhighly radiopure scintillators at GranSasso
hat angeblich anormaleModulation gefunden
Technische Daten: 100 kg NaI(Tl)-Detektormasse ( 9 Kristalle) Abschirmung aus strahlenarmem Material Lief von 1997 – Juli 2002 (neue Elektronik im August 2000) 107731 kg d (7 Jahreszyklen)
31Quelle: Further results on the WIMP annual modulation signature by DAMA/NaI (21. July 2003)
![Page 32: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/32.jpg)
Arbeitsweise
DAMA (NaI)
Gran Sasso Labor
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
32
Sucht nach anomaler jährlicher Rate
Weist Szintillationslicht nach
Keine (wenig) aktive Untergrundreduzierung
![Page 33: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/33.jpg)
Aufbau
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: DAMA
NaI
NaI
NaI
NaI
PMT
PMT
33
NaI-Kristalle, die an beiden Enden von Photomultipliern ausgelesen werden
![Page 34: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/34.jpg)
Abschirmung (shielding)
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: DAMA
Altes Blei aus versunkenen,römischen Schiffen
1,5 km Gestein, entspr. 5000m water equivalent (mwe) µ-Fluss um 2.10-5 reduziert
Abschirmung aus altem Blei (10cm) und Kupfer (15 cm)
Innerste Schicht: 1,5 mm Cd und Paraffin + Polyethylen (Neutronen)
Ganze Anlage von 1 m Beton umgeben Reinraumatmosphäre Stickstofffüllung (Luft -> Radon ->
Strahlung)
34
![Page 35: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/35.jpg)
DAMA: Ergebnisse
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: DAMA
6,3−Evidenz für jährliche Modulation
- Effekt kann durch keine anderen äußeren Einwirkungen (z.B. Temperatur) erklärt werden
- Andere Experimente können dies aber nicht bestätigen....
35
![Page 36: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/36.jpg)
Effekte, die eine anormale Modulation verursachen könnten
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
36
Temperaturänderungen
BergwerkDetektor im Wärmekontakt mit AbschirmungKlimaanlage
Modul DAMA/NaI-5 DAMA/NaI-6 DAMA/NaI7δT -(0,033±0,050)°C -(0,021±0,055)°C -(0,030±0,056)°C
Änderung der Lichtausbeute: ≈ -0,2%/°C
Relative Änderung der Lichtausbeute <10 -4
Temperaturänderungen können als Quelle ausgeschlossen werden
Rat
e
![Page 37: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/37.jpg)
Andere äußere Einflüsse
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
37
Auch in der Summe nicht relevant(im schlechtesten Fall)
![Page 38: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/38.jpg)
Die Raten
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
38
Die Rate hängt vom Wirkungsquerschnitt σ der WIMP's ab Dieser hängt von der Energie (Geschwindigkeit) und der Masse der WIMP's ab
Schwache WW (hier für den inelastischen Stoß eines Sneutrino)
Höchste Raten im unteren Energiebereich erwartet
inelastisch
2 keV 4 keV 6 keV 8keV Rückstoßenergie
Raten
elastisch
![Page 39: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/39.jpg)
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
39Kontrollmessung bei höheren Energien
![Page 40: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/40.jpg)
DAMA-Evidenz wird kontrovers diskutiert Kritikpunkte: - Rohdaten nie gezeigt (andere Darstellungen: Rückrechnungen)
- Stabilität- Signal wurde nicht in allen Modulen gesehen- Untergrund nimmt bei kleinem E ab statt zu- Binningeffekt
Experimente: DAMA Die Suche nach dunkler Materie
40DAMA-Kritikpunkte
mehrere andere Experimente müssen Ergebnisse widerlegen
![Page 41: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/41.jpg)
Ausblick
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: Dama
Neue Generation: ~ 250 kg noch strahlungsärmeres NaI(Tl) (DAMA/LIBRA)
Läuft seit März 2003
~ 6.5 kg flüssiges Xenon ( DAMA/LXe)
41
![Page 42: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/42.jpg)
Tieftemperaturtechnik
Experimente: CRESST Die Suche nach dunkler Materie
42
Nachweis von Ionisation in flüssigen Edelgasen (Xenon) --> Bsp.:Zeplin
Messung des Energieübertrags: Auslösung von Gitterschwingungen=Phononen --> Temperaturanstieg
Kombination von Beiden --> aktive Untergrundreduzierung
Phononenkanal + Lichtkanal CRESST (II)
![Page 43: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/43.jpg)
Vorteile der Kyrogenik-Technik
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
WIMP's Untergrund(geladenen Teilchen)
WIMP's regen überwiegend Kerne an (→Phononen→Temperaturanstieg),Untergrund (elektromagnetisch) überwiegend die Hüllenelektronen (Szintillationlicht)
WIMP's Ereignisse lassen sich aus dem Untergrund erkennen
Gelade
nen T
eilch
en (μ
-, e-, α
)
WIMPS's
Neutronen
43
![Page 44: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/44.jpg)
CRESST
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
Selber Ort wie DAMA (GranSasso Mine) Benutzt Tieftemperaturtechnik (<15 mK) Aktuelle Version (CRESST II) benutzt bis zu ca.10 kg (in 262 g Modulen) Detektormasse (CaWO4)
44
Ergebnisseim Moment nur von 2 Modulen(20,5 kg d)
![Page 45: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/45.jpg)
Aufbau
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
W-Thermometer
Absorber CaWO4
(Phonon-Detektor)
Reflektierende Folie
Foto-Detektor
χSimultane Licht- und Phonon-Messung
W (Wolfram, tungsten): A= 183,9→ m(Kern) ≈ m(WIMP)
45
hohe Lichtausbeute bei niedrigen Temperaturen
![Page 46: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/46.jpg)
Funktionsweise der Thermometer
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
Supraleitendes Phasenübergangs-Thermometer (SPT)
Detektoren arbeiten bei ca. 10 mK,supraleitender Zustand
46
![Page 47: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/47.jpg)
Ergebnisse
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
Modul Messdauer [d] Masse [g]Julia /BE14 37,56 291,4Daisy /BE13 39,04 306,8
Rate für mWIMP >10 GeV vielkleiner als anormale Rate bei DAMA
47
![Page 48: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/48.jpg)
Ausblick
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: CRESST
66 SQUIDs on He-flange
Abgeschotteter Kryostat
PE Neutron-ModeratorPlastik-Szintill.: µ-Veto
2005: Beginn der Installation von 10kg Detektormasse(33 Module)
2004: Installationvon PE (Neutron Moderator)
2005: Myon-Veto(gegen von Myonen ausgelösteNeutronen in der Pb/Cu Abschirmung)
48
![Page 49: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/49.jpg)
Edelweiß
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: Edelweiß
Fréjus-Tunnel (Frankreich)
Ionisation-Phonon320g Ge-Detector
Testmessung mit Neutronen
Ionisation
Thermometer
300g Ge oder 300g Si
49
Phononen + Ionisation
![Page 50: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/50.jpg)
Zusammenfassung der Ergebnisse
Zusammenfassung Die Suche nach dunkler Materie
Hat DAMA recht ??
50
![Page 51: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/51.jpg)
Zusammenfassung Die Suche nach dunkler Materie
51
![Page 52: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/52.jpg)
Indirekte Suche: AMS(02)-Experiment
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: AMS
Kann Elemente-Verteilung im Universum messen
Kann Anteil der Positronen (e+/( e++e-) ) in der kosmischen Strahlung messen
Positronen aus Neutralino-Annihilation(in der Sonne, Massenkonzentration)
„Suche nach Antimaterie = Suche nach DM“
52
Vortrag: Kosmische Strahlung
![Page 53: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/53.jpg)
Der AMS2-Detektor
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: AMS
53
Teilchendetektor im Weltraum !!!Vortrag: Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren
![Page 54: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/54.jpg)
Der AMS2-Detektor
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: AMS
54
Teilchendetektor im Weltraum !!!Vortrag: Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren
![Page 55: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/55.jpg)
Erwartungen von SUSY-Modellen
Experimente: AMS Die Suche nach dunkler Materie
55
Messbereich von AMS
![Page 56: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/56.jpg)
Experimente: AMS Die Suche nach dunkler Materie
56
Deckt erstmal oberen Energiebereich ab
Winkelauflösung <1'(Sonne von Erde: = 0,53° = 32')
Quelle von Positronen kann lokalisiert werden
10 1
0 e e−
![Page 57: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/57.jpg)
Ergebnisse anderer indirekter Experimente
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: AMS
Spricht für DAMA !(Halo-Modell, DM-Dichte)
57
![Page 58: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/58.jpg)
Ausblick Verbesserung der direkten Suche
- Mehr Masse- Reduzierung des Untergrundes- Aktive Untergrundreduzierung
Indirekte Suche (AMS: 2008 ? )
Suche an Beschleunigern - Tevatron (läuft schon)- LHC: CMS-Detektor optimiert für SUSY-Suche
Ausblick Die Suche nach dunkler Materie
Konkret: CDMS & Edelweiß: ähnliche Aufrüstung wie bei CRESST
DAMA/LIBRA: 250 kg Detektor läuft schon
In Planung: Europäisches Großprojekt: EURECA (EDELWEISS, CRESST, ...)
Detektormasse im 1Tonnen- Bereich
Wenn SUSY auf der Skala von TeV existiert, wird es am LHC gefunden werden
gezieltere Suche
58
Vortrag: Teilchenbeschleuniger zur Produktion von Elementarteilchen
![Page 59: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/59.jpg)
Axionen
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: Axionen
Der QCD Lagrangian enthält eine CP verletzende Phase θ (wie Schwache WW) θ ist extrem klein (0), z.B.: elektrisches Dipolmoment des Neutrons: ~ 0 Warum ist θ so klein (< 10-10), jeder Wert (0-2π) möglich (‘strong CP problem‘) ⇒ Einführung einer neuen (Peccei-Quinn)- Symmetrie
Oszillation um das Minimum = neues Teilchen=> AXION , erzeugt mit einem sehr kleinen Moment=> cold DM
θ
Masse der Axionen sehr klein Trotzdem könnten sie DM erklären Erwartet: m(Axion) ≈11 μeV → 1019/m3
≪1eV
59nicht ausgeschlossen
![Page 60: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/60.jpg)
PVLAS
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: Axionen
6,6T 1m
10-4Pa
NdYAG: 1064nm
hochreflektierende,dielektrische Spiegel (Fabry-Perot optical resonator)→ optischer Weg: 60 km
Im B-Feld: linear- → elliptisch-polarisiert Elliptisch-polarisierter Anteil gelangt zum Analysator, Frequenz kann gemessen werden.
60
![Page 61: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/61.jpg)
Die Suche nach dunkler MaterieExperimente: Axionen
Anderes Experiment + allgemeine ErgebnisseÄhnliches Prinzip
mit Mikrowelle
3a von 1995 an,
300Mhz–3GHz
61
![Page 62: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/62.jpg)
Schlusswort Gesamtzusammenfassung
Bemerkung: DM kann nicht durch das Standard-Modell erklärt werden
Selbst, wenn sie gefunden wird, wissen wird immer noch nicht über 70 % (dunkle Energie) unserer Welt ...
(Axionen sind eine nicht populäre Alternative)
![Page 63: Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus ...klein/seminar/... · Evidenzen Die Suche nach dunkler Materie Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022042709/5f4f56c62afa395c63034b76/html5/thumbnails/63.jpg)
Ende
Die Suche nach dunkler MaterieEnde
63