zurück zur ersten seite dunkle materie grundlagen & experimentelle suche! tim niels plasa...
TRANSCRIPT
Zurück zur ersten Seite
Dunkle MaterieDunkle MaterieGrundlagen & Experimentelle Suche!
Tim Niels Plasa
26.06.2003
SS 2003
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
2
Der Rote Faden
Warum soll dunkle Materie existieren?
Woraus könnte die dunkle Materie bestehen?
Einige Experimente und ihre Ergebnisse
Ausblick für die folgenden Jahre
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
3
70
25
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
4
Nicht-baryonische DM
4
3
0.27
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
5
MASSE (g) Radius (cm) Dichte(g/cm-3)
Jupiter 2*1030 6*105 2,3
Sonne 2*1037 7*1010 1,4
Rote Riesen (2-6)*1034 2*1014 (4,8-14,3)*10-3
Weisser Zwerg 2*1030 1*108 5*108
Neutronenstern 3*1033 1*106 7*1014
glob. Cluster 1,2*1039 1,5*1020 8,5*10-23
offenes Cluster 5*1035 3*1019 4,4*10-24
Spiralgalaxie 2*1044-45 (6-15)*1022 (14-22)*10-26
elliptische Galaxie2*1043-45 (1,5-3)*1023 (0,4-1,8)*10-26
Universum 7,5*1055 1*1028 8*10-29
Kritische Dichte = 3H02/8pG = 11 p/m3
NGC = Neuer galaktischer Katalog
1pc = 3,1*1018cm1 rad = 57,3°
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
6
CDM = kalte dunkle Materie
nichtrelativistische Bewegung im Zeitalter der Galaxienentstehung
HDM = Heiße dunkle Materie
relativistische Bewegung während der Galaxienentstehung
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
7
Warum ist dunkle Materie notwendig?
Rotationskurven von Galaxien
Messungen des Cobe und WMAP-Satelliten (Geometrie des Universums)
Galaxienclusterdynamik
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
8
COBE & WMAP
Akkurate Messungender CBR anisotropenErscheinungen
Ωtot = 1,02 ± 0.02
Ω Λ = 0.73 ±0.04
Ω M = 0.27 ±0.04
Ω baryonic = 0.04 ±0.004
Ω non baryonic = 0.23 ±0.04
1°
7°
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
9
Abzählen von Sternen Sterne = 0,005 - 0,01
Nukleosynthese 0,0095< Bary<0,023
Dunkle Materie in Halos (Rot.kurven) H>0,1
Relativbewegung der Galaxien Ma>0,3
Ausbildung großer Strukturen Ma>0,3
Supernova + Hintergrundstrahlung tot = 1,02 ± 0,02
= 0,73 ± 0,04
Wie kommt man auf die Massenverteilung ?
Kritische Dichte = 3H0/G = 11 p/m3
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
10
Dunkle Materie in Galaxien
- Galaxienbildung in bestimmter Reihenfolge (top-down Szenario)
- Dunkle Materie in Halos
- Baryonische Materie im Kern und in Scheibe
- Was können wir über die Struktur der Halos sagen?
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
11
Scheibengalaxien machen etwa 20 - 30% der Galaxien aus und eignen sich zum Beobachten der Eigenschaftender dunklen Halos - es handelt sich um flache Systeme,
deren Rotation gegen die Gravitation gegensteuert.
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
12
NGC 891Eine Spiralengalaxie<---
NGC 4414 -->
Zurück zur ersten Seite
Die Rotationskurven der Spiralgalxien
Meistens rotieren sie nicht gleichmäßig - es gibt eine Varianz derRotationskurven abhängig von ihrer Leuchtverteilung.Dies hier sind zwei Extremfälle: Links: Typisch für Scheiben geringerer Leuchtkraft Rechts: Charakteristisch für hohe Leuchtkraft (wie die Milchstraße)
km/s
kpc
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
14
Was hält die Scheibe im Gleichgewicht ?
Der Hauptanteil der kinetisch Energie ist in der Rotation
In der radialen Richtung sorgt die Gravitation für die radiale Beschleunigung, die für die fast kreisförmige Bewegung
der Sterne und des Gas verantwortlich ist.
In der vertikalen Richtung gleicht sich die Gravitation mit dem vertikalen Druckgradienten (der mit der zufälligen Bewegung
der Sterne in der Scheibe zusammenhängt) aus
Zurück zur ersten Seite15
Das radiale Gleichgewicht der Scheiben
Mit der Newtonschen Mechanik kann man die Masseinnerhalb eines bestimmten Radius bestimmen.
wobei M(R) die eingeschlossene Masse im Radius R ist.
Die Form von V(R) kann unterschiedlich sein. Für große Spiralgalxien wie der unseren, ist V(R) normalerweise flach, sodass die eingeschlosseneMasse im sichtbaren Bereich M(R) R^2
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
16
Zurück zur ersten Seite17
NGC 3198
Distanz: 9,2 Mpc
Scheibenlänge:2,7 kpc
Größter Radius: 30 kpc
Maximale Geschwindigkeit: 157 km/s
M(HI): 4,8 (109Sonnen)
M(tot): 15,4 (1010Sonnen)
M(dunkle M.): 4,1 (1010Sonnen)
M(Halo): 1,9 (1010Sonnen)
Tatsächliche Beobachtungen!
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
18
Galaxie im Radiobereich
21cm
Galaxie im sichtbaren Bereich
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
19
Das erwartete V(R) von Sternen und Gas fällt unter der beobachteten Rotationskurven in den äußerenTei-len der Galaxie.
Dies gilt für fast alle Spiralgalaxien mit den viel zu hohen Rotationskurven!
Wir fassen zusammen, dass die leuchtende Materie die Ge-schwindigkeit innerhalb eines kleinen Radius dominiert, aber über diesem Radius erhält das dunkle Halo stark an Einfluss.
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
20 Begeman 1987
Minimale Scheibe maximales Halo
Maximale Scheibe minimales Halo
Zurück zur ersten Seite21
Für die Zerlegung von NGC 3198 wurde das stellare M/L Verhältnis als größtmöglich angenommen; ohne Bezug zu einem hohlen dunklen Halo - dies nennt man eine “maximum disk” (minimum halo) Zerlegung.
Mehr als 1000 Galaxien sind auf diesem Wege analysiert worden - die Zerlegung sieht oft so aus wie für NGC 3198, mit vergleichbaren Peaks für die Geschwindigkeitsverteilungen von der Scheibe unddem dunklen Halo.
Es wird angenommen, dass dies schließlich teilweise auf die adiabatische Kompression desdunklen Halo durch die Baryonen zurückzu-führen ist, wenn Sie sich zusammenziehen, umdie Scheibe zu formen.
Das dunkle Materie Halo ist notwendig um die Rotationskurven zu erklären!
Das dunkle Materie Halo ist notwendig um die Rotationskurven zu erklären!
Dark matter halo
Zurück zur ersten Seite
Galaxie separat - Galaxiecluster
Parameter für dunkle Halos(Dichte, Geschwindigkeitsverteilung, Form...)
Seit etwa 1985 haben die Beobachter Modelle dunkler Halos entwickelt, denen ein Kern mit konstanter Dichte zugrunde liegt.
Bei den gewöhnlichen Modelle gibt es eine Isothermale Sphärenmit einem gut definierten Kern-Radius und zentraler Dichte, wobei r -2 bei einem weiten Radius => dadurch wird V(r) ~ konstant wie beobachtet.
Zurück zur ersten Seite23
Isothermale Sphäre
Zurück zur ersten Seite
Es gibt auch die pseudo-isothermale Sphäreo {1 + (r / rc ) 2 } -1
Benutzt man dieses Modell für den dunklen Halo von großenGalaxien wie der Milchstraße, so findet man o ~ 0.01 Solar-massen pc -3 und rc ~ 10 kpc
Sie sind im Zentrum konstant dicht, mit r - 2
CDM Simulationen produzieren immer wieder Halos, welcheim Zentrum zugespitzt sind. Dieser Sachverhalt ist seit den 80ernbekannt (Navarro et al 1996 = NFW) bekannt mit der Dichte-verteilung:(r / rs ) - 1 {1 + (r/rs)} - 2
Diese sind im Zentrum zugespitzt, mit r - 1
Zurück zur ersten Seite25
Verteilung der inneren Abnahme der Dichte ~ r
Beispiel für etwa 60 leuchtschwache Galaxien
Optische Rotationskurventeilen uns die Abnahmeder Dichte mit.
NFW Halos haben = -1
Flache Kerne haben = 0
de Blok et al 2002
NFW
Zurück zur ersten Seite26
Man kann sagen, dass die Dichteverteilung der dunklen Halosviel über dunkle Materie aussagt.Zum Beispiel könnte die bewiesene Präsenz von cusps einige dunkle Materie Partikel ausschließen (z.B. Gondolo 2000).
Vielleicht ist auch die Theorie der CDM falsch.
- mit sich selbst wechselwirkende dunkle Materie könnte einflaches Zentrum (r) durch “heat transfer” in die kälteren zentralenGebiete ermöglichen. (-->Kernkollaps wie in globularen Sternhaufen) (siehe Burkert 2000, Dalcanton & Hogan 2000)
Alternative:
Es gibt viele Wege zur Konvertierung von CDM cusps inzentrale Kerne, sodass wir bisher keine cusps gesehen haben ...
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
27
• Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)
• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs), Neutrinos & Axionen
• Neue Physik
Kandidaten für die dunkle Materie
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
28
• Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)
• Geringe (sub- solare) Sternenmasse. Gewöhnliche baryonische
Zusammenstellungen.
• Gebrauch vom Gravitationslinseneffekt zum Studieren.
• Möglicherweise verantwortlich für 25% bis 50% der dunklen Materie
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
29
Woraus bestehen Machos?
• Braune Zwerge
• Neutronensterne
• Weiße Zwerge
• Planeten
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
30
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
31
Massive Compact Halo Objects – MACHOs
• Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskörper und uns bewegen.
• MACHO fungiert dann als Gravitationslinse!
• Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring.
• Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskörper und uns bewegen.
• MACHO fungiert dann als Gravitationslinse!
• Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring.
)
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
32
Zum GravitationslinseneffektVerformung des Hintergrunds durch “unsichtbare” Materie im Vordergrund
Ohne Macho Mit Macho
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
33
==>
mag=Helligkeit
exponentiell aufgetragen
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
34
• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs)
• Teilchen, die nicht aus dem Standard Modell kommen
- insbesondere Neutralinos
• Schwere (> 45GeV) neutrinoartige Teilchen von Eichtheorien.
Dunkle Materie aus dem Teilchenzoo
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
35
Mögliche Erweiterung desStandard Modells: Supersymmetrie
Jedes Standard-Modell-Teilchen x hat einen supersymmetrischen Partner x z.B. electron selectron
neutrino sneutrinogluon gluinoW boson Wino
~
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
36
Zugang zu den neuen Teilchen?
Hochenergie Strahlen
Kollisionsexperimente
CMS(LHC), ATLAS
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
37
Die MSSM – ParameterDie MSSM – Parameter - Higgsino Massen Parameter
M2 - Gaugino Massen Parameter
mA - Masse des CP-odd Higgs bosonstan - Verhältnis der Higgs Vakuum Erwartungswerte
m0 - skalarer Massen Parameter
Ab - trilinear coupling, bottom sector
At - trilinear coupling, top sectorParameter
Unit
GeVM2
GeVtan
mA
GeVm0
GeVAb/m0
1At/m0
1Min -50000 -50000 1 0,1 114 -3 -3Max +50000 +50000 60 10000 3000 3 3
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
38
Neutralino als dunkle Materie
SUSY WIMPs ( LSP : neutralino )
024
01321
~~~~ HaHaZaa
Nicht Baryonische kalte dunkle Materie Kandidaten
Kleinste Masse, lineare Superposition vonPhotino, Zino, Higgsino
NVerschiedene Implementierungen der MSSM führt zu diversen
Massenfenster: 60GeV < m < TeV
Neutralino Zg N11
2 N12
2
Zurück zur ersten Seite
Annahme ist im galaktischen Halo präsent!
• ist sein eigenes Antiteilchen => kann annihilieren und dabeiGammastrahlung produzieren, Antiprotonen, Positronen….
• Antimaterie wird nicht in großen Mengen durch Standardprozesse gebildet (sekundäre Produktion durch p + p --> p + X)
• D.h., der zusätzliche Beitrag von exotischen Quellen ( Annihilation) ist ein interessantes Signal
• Produziert durch (eine Möglichkeit) --> q / g / Gauge Boson / Higgs Boson und nachfolgenden Zerfall und/oder Hadronisation.
_
_
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
40
DM Neutralino Suche Wir schauen also nach Antiprotonen, Positronen, Gammastrahlung, die durch WIMP Annihilation entstanden ist.
,...,,,,,, dpeZZWW
BESS, GLAST, ISS, AMS …
Wir schauen also nach hochenergetischen Neutrinos als letzte Produkte von WIMP Annihilation in den Himmelskörpern(Erde, Sonne)SK, AMANDA, MACRO, …Wie messen die nuklearen Rückstöße, die durch die elastische Streuung der WIMPs an den Detektoren entsteht.
DAMA, CDMS, Edelweiss, CRESST, UKDMC...
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
41
Signale von WIMPsErdbewegung durch das Milchstraßenhalo erzeugtasymmetrische charakteristische Verteilung der WIMPs.
Erdorbitalbewegung um dieSonne (15 km/s)
Jährliche Modulation der WIMP Wechselwirkungsrate.
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
42
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
43
WIMP Dunkle Materie Annihilationen?
Wenn das wahr ist, gibt es beobachtbare Halo Annihilationen in mono-energetische Gammastrahlung.
q
qoder oder Z Linen ?
X
X
Erweiterungen zum Standard Modell der Teilchenphysik geben unsalso gute Kandidaten für galaktische dunkle Materie. Dies wäre danneine völlig neue Form der Materie. Simulated response to 50 GeV side-entering
’s
Glast-Simulation
Antiproton oder Positron-Strukturen?
- = Untergrund, - = Untergrund + Signal
Zurück zur ersten Seite
Positronen Signale von NeutralinosPositronen Signale von Neutralinos
Qe (T,
x )
1
2( annv)
(x )
m
2
B f
dN f
dTf
Positron Quellenfunktion
In die Difffusionsgleichung wird das galaktische Modell einbezogen:
e interstellar(T
e )
Die Positronen treffen auf den solaren Wind. Dies wird noch in die Rechnung mit einbezogen.
e Earth (T
e )
Am besten schaut man nach Positronenzerfällen, e+/(e+ + e-) um die Modulationseffekte zu minimieren.
Vernichtungsquerschnitt
Dichte
Geschwindigkeit
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
45
Messung der Höhenstrahlung
mit
AMS
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
46
Der HEAT-ÜBERSCHUSS_____________________________________________________
Man kann mit Ballons in großer Höhe Positronen detektieren
Ergebnis: Es gibt mehr Positronen als angenommen
Wimp-Annihilation als partielle mögliche Erklärung
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
47
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
48Zurück zur ersten Seite
Es gibt Versuche den HEAT Überschuss mitsupersymmetrischer dunkler Materie zu erklären:
– Kane, Wang and WellsKane, Wang and Wang
– de Boer, Sander, Horn and Kazakov,
– Baltz, Edsjö, Freese, Gondolo, PRD 65 (2002).
W W , ˜ e W , ˜ ˜ W W , K
W W , K
W W , K
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
49
ZusammenfassungZusammenfassung Mit Standard MSSM und astrophysikalischen Annahmen
sind die Positron-Raten in der Regel zu gering.
HEAT hat eine Stelle bei ~8 GeV, die mit einem Signal von Neutralinos erklärt werden könnten.
Aber der Peak kann trotzdem nicht völlig erklärt werden, nicht mal mit einer monochromatischen Quelle von Positronen.
Hier sind daher weitere Untersuchungen in den nächsten Jahren notwendig!
Blois: “I wouldn’t bet my life savings on super-symmetric dark matter as the explanation of the positron excess...”
Mit Standard MSSM und astrophysikalischen Annahmen sind die Positron-Raten in der Regel zu gering.
HEAT hat eine Stelle bei ~8 GeV, die mit einem Signal von Neutralinos erklärt werden könnten.
Aber der Peak kann trotzdem nicht völlig erklärt werden, nicht mal mit einer monochromatischen Quelle von Positronen.
Hier sind daher weitere Untersuchungen in den nächsten Jahren notwendig!
Blois: “I wouldn’t bet my life savings on super-symmetric dark matter as the explanation of the positron excess...”
Zurück zur ersten Seite
Neutralinoeinfang und AnnihilationNeutralinoeinfang und Annihilation
Sonne
Erde
Detektor
Freese, ’86; Krauss, Srednicki & Wilczek, ’86Gaisser, Steigman & Tilav, ’86
Silk, Olive and Srednicki, ’85Gaisser, Steigman & Tilav, ’86
Geschwindigkeitsverteilung
Streu
Einfang
Vernichtung
WW
int. int.
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
51
AMANDA
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
52
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
53
Die Zukunft… IceCube
IceCube:80 strings
60 PMTs/string
Depth: 1.4-2.4 Km
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
54
IceCube Konzept
1400 m
2400 m
AMANDA
South Pole
IceTop
Skiway
IceTop: 2 PMTs in a
“pool” at the top
of each string.
3D air-shower detector
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
55
Direkte Suche nach Wimps
Benötigt: große Detektormasse, Abschirmung
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
56
CRESST am Gran SassoCryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
57
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
58
CDMS &
EDELWEISSWW wird als
Temperaturerhöhung
nachgewiesen
Simulation
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
59
EdelweissJuni 2002EdelweissJuni 2002
Ausschließungsgrenzen !
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
60
ZusammenfassungenZusammenfassungen
Edelweiss kann das DAMA Signal zu 99.8% ausschließen.
Der Positronenüberschuss in den HEAT Daten ist mit Neutralinos schwer zu erklären.
Die Daten von HEAT sind relativ ungenau
Edelweiss kann das DAMA Signal zu 99.8% ausschließen.
Der Positronenüberschuss in den HEAT Daten ist mit Neutralinos schwer zu erklären.
Die Daten von HEAT sind relativ ungenau
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
61
Neutrinos
Zunächst aussichtsreichste Kandidaten, doch Galaxienbildung spricht dagegen
3.10 -2 m2eV
cm3
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
62
Um Rotationskurven in Galaxien beschreiben zu können,
müssen Neutrinos ein m > 10 eV haben!
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
63
• Geringer Beitrag, wenn atmosphärische Neutrinomessungen korrekt sind, m< 1eV.
• Große galaktische Strukturen sind schwer mit Neutrino dominierter dunkler Materie in Einklang zu bringen.
Schlussfolgerung
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
64
AXIONEN
- hohe Teilchendichte
- geringe Wechselwirkung
- kleine Masse ( < 0,1 eV)
- kein Spin
==> schwer nachweisbar
Nachweis in Magnetfeld über Kopplung an ein verschränktes Photon, dass sich dann in ein reelles Photon umwandelt (Primakoff-Effekt)
Vorhergesagt von Peccei-Quinn
+ ´ => a
a+ ´ =>
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
65
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
66
Neue Physik
? ??
?
Versuche von Erweiterungen bestimmter Gesetze:
- Gravitation
- Beschleunigung
Zurück zur ersten Seite
Tim Niels Plasa
67