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Die Entdeckung Dunkler Materie
Hauptseminar Schlüsselexperimente der Teilchenphysik
Marco Sauer
02.07.2010
02.07.10 Die Entdeckung Dunkler Materie 2
Gliederung
I. Hinweise auf Dunkle Materie
- Rotationskurven von Galaxien
- Gravitationslinsen
- Kollision zweier Galaxiencluster
II. Was ist Dunkle Materie?
- Mögliche Formen von Dunkler Materie
- WIMPs
III. Indirekte Nachweismethoden
- Gammasatelliten
- EGRET auf CGRO
- Fermi
IV. Direkte Nachweismethoden
- Edelweiss
02.07.10 I. Hinweise auf Dunkle Materie 3
Erster Hinweis auf Dunkle Materie
1933 durch Fritz Zwicky
beobachtet hohe Geschwindigkeiten einzelner Galaxien im Coma-Galaxienhaufen
postuliert Existenz einer nichtleuchtenden Form von Materie
Virialsatz:
potkin UE 2
(gilt für ein abgeschlossenes Vielteilchen- system im mechanischen Gleichgewicht)
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Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien
Erwartung: Die Rotations- geschwindigkeit nimmt außerhalb des galaktischen Kerns mit dem Abstand ab.
21 rvrot
Beobachtung: Die Rotations- geschwindigkeit bleibt außerhalb des galaktischen Kerns in etwa konstant.
constvrot
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Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien
Erklärung: Eine Galaxie ist in einen sphärischen Halo von Dunkler Materie eingebettet.
Dunkler Materie Halo:
- Masse nimmt linear mit dem Radius zu
- Anteil von 80 – 90% an der Gesamtmasse der Galaxie
21)(
)(
rr
rrM
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Gravitationslinsen
Gemäß der ART wird Licht durch ein Gravitationspotential abgelenkt.
Der Ablenkwinkel ist direkt mit der Masse verknüpft, die das Potential bildet.
2
4
cb
GM
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Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster)
Die Kollision zweier Galaxien- cluster hat unterschiedliche Auswirkungen auf Dunkle Materie und Baryonische Materie:
Dunkle Materie: im Prinzip wechselwirkungsfreies Durchdringen
Baryonische Materie: starke Wechselwirkung
Blau: Dunkle Materie (Nachweis durch Linseneffekte)
Rot: heißes Gas (Nachweis durch Röntgenstrahlung)
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Kollision zweier Galaxiencluster (Bullet-Cluster)
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Mögliche Formen von Dunkler Materie
a) Kalte baryonische Dunkle Materie
- kalte Gaswolken/Staubwolken (Problem: Emission von Infrarotstrahlung)
- weiße/braune Zwerge; Planeten
b) Heiße Dunkle Materie
- Neutrinos
Problem: Gesamtmasse der unter a) und b) aufgeführten Materiearten zu klein um beobachtete Effekte zu erklären
c) Kalte Dunkle Materie
- ParticleMassivegInteractinWeaklyWIMP :
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WIMPs
Eigenschaften der WIMPs:
- massiv
- neutral
- schwach wechselwirkend (Paarbildung und Annihilation)
- bekannter Annihilationsquerschnitt (falls thermische Relikte aus dem frühen Universum)
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WIMP-Entkopplung
- bei hohen Temperaturen herrscht thermisches Gleichgewicht und es gilt:
- für T < M gilt:
- sobald die Expansionsrate die Annihilationsrate übertrifft, bleibt die Teilchendichte der WIMPs konstant
onAnnihilatiErzeugung
onAnnihilatiErzeugung
nvH scmv 326102
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WIMP-Dichte
Abschätzung der WIMP-Dichte über die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Milchstraße:
Unter der Annahme einer WIMP-Masse von 100 GeV erhält man ein WIMP-Teilchen pro 100 .
„1 WIMP / coffee cup“
2
2
r
MG
r
v DM DMDM rM 3
3
4
32
2
14
3
cm
GeV
Gr
vDM
3cm
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WIMP-Teilchenkandidaten
Eine große Klasse hoffnungsvoller WIMP-Teilchenkandidaten liefert die Supersymmetrie (SUSY).
Supersymmetrie
Symmetrie der Teilchenphysik, die Bosonen und Fermionen ineinander transformiert
SUSY-Operator Q mit Spin 1/2
BosonFermionQ
FermionBosonQ
Minimal mögliche Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik:
MSSM (Minimales Supersym- metrisches Standard Modell)
(120 neue physikalische Parameter! -> LHC?)
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WIMP-Teilchenkandidaten
Hoffnungsvollster WIMP-Kandidat:
LSP (Lightest Supersymmetric Particle)
Geforderte Eigenschaften:
- stabil
- neutral
Neutrale supersymmetrische Teilchen:
- Sneutrinos (s=0)
- Gravitinos (s=3/2)
- Gauginos ( neutrale SUSY-Kraftteilchen mit s=1/2)
- Higgsinos
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WIMP-Teilchenkandidaten
Die neutralen Gauginos (Photino und Zino) sind Flavour-Eigenzustände, aber keine Masseneigenzustände.
Die gesuchten Masseneigen-zustände sind die Neutralinos.
Neutralinos
Mischung der neutralen Gauginos und der Higgsinos
Flavour-EZ Massen-EZ
000 ~~~~du HHZ 0
403
02
01
~~~~
LSP
02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 16
Indirekter Nachweis von Dunkler Materie
Ein indirekter Nachweis von Dunkler Materie ist über den Nachweis von sekundären Teilchen aus WIMP-Annihilationsprozessen möglich (z.B. Antiprotonen, Positronen, Neutrinos, Gamma-Strahlung)
Vorgehensweise: Beobachtung von sehr dichten Bereichen des Universums, um hohe Annihilationsrate zu erhalten
Problem: Unterscheidung von WIMP-Signal und Untergrund gestaltet sich schwierig
möglicher Zerfall:
xxqq 20
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Gammasatelliten - CGRO
CGRO – Compton Gamma Ray Observatory
EGRET – Energetic Gamma Ray Experiment Telescope
Ziel: Katalogisierung von Gamma-Quellen
Parameter:
Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung
Energieintervall 20 MeV - 30 GeV
Energieauflösung ~ 20%
Winkelauflösung 0.08 - 0.5°
effektive Fläche 1500
Datennahme 1991-2000
2cm
02.07.10 III. Indirekte Nachweismethoden 18
Gammasatelliten - CGRO
Ergebnis von EGRET:
signifikanter Gamma-Überschuss ab einer Gamma-Energie von 1 GeV
Mögliche Erklärungen:
- Variation der Intensität und des Energiespektrums der kosmischen Strahlung
- Überschuss an Gamma-Quanten durch WIMP-Annihilation
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Gammasatelliten - CGRO
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Gammasatelliten - Fermi
Fermi Gamma-ray Space Telescope:
Nachfolgesatellit des CGRO
Parameter:
Ergebnis:
Bestätigung des Gamma-Überschusses, aber immer noch keine eindeutigen Hinweise auf WIMP-Annihilation (-> AMS?)
Funktionsprinzip Gammanachweis über Paarbildung
Energieintervall 20 MeV - 300 GeV
Winkelauflösung ~ 0.02°
effektive Fläche 1
Datennahme seit 2008
2m
02.07.10 IV. Direkte Nachweismethoden 21
Direkter Nachweis von Dunkler Materie
Ein direkter Nachweis von Dunkler Materie ist über eine elastische WIMP-Kern-Streuung möglich. Die Beobachtung des Rückstoßkerns liefert Erkenntnisse über der Eigenschaften des WIMP-Teilchens.
Geignete Nachweismethoden:
- Phononen
- Szintillation
- Ionisation
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Übersicht der Experimente
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Edelweiss
Edelweiss – Expérience pour détecter les WIMPs en Site Souterrain
Das Experiment befindet sich im Mondane Untergrund Labor, um störende Einflüsse (z.B. Neutronen, Myonen) abzuschirmen.
Messprinzip des Halbleiter-Bolometers:
Die elastische Streuung eines WIMP-Teilchens an einem Germanium-Kern führt zu dessen Rückstoß.Dieser wiederum bewirkt eine Temperaturerhöhung und eine Ionisation des Kristalls.
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Edelweiss-Ergebnisse
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Quellen
• Hooper - „Dunkle Materie“
• Klapdor-Kleingrothaus / Zuber - „Teilchenastrophysik“
• Prof. G. Drexlin - Vorlesung „Astroteilchenphysik I“
• Prof. W. de Boer - Vorlesung „Einführung in die Kosmologie“
• www.wikipedia.org
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!