Die Suche nach dunkler Materie

Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik 01 Die Suche nach dunkler Materie ?? ?? Sprecher: Je...
Author: Silke Roth
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Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik

01

Die Suche nach dunkler Materie ??

??

Sprecher: Jens Frangenheim Betreuerin: Dr. K. Klein

Titelseite

Die Suche nach dunkler Materie

02

Prolog Dunkle Materie c

el k n

si t ch

r a b ht

i n –

du Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994)

kein (Ste e „nor rne, mal Plan e“ M eten ater , St ie ude nten ) Prolog

Die Suche nach dunkler Materie

03

Prolog Dunkle Materie c

el k n

si t ch

r a b ht

i n –

du Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994)

Prolog

kein (Ste e „nor ) rne, mal r o t k Plan e“ M te e D eten ater aI(Tl) , St kgieN 0u0dent 1 ( A en) M A D

Die Suche nach dunkler Materie

04

Inhalt 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

Inhalt

Die Suche nach dunkler Materie

05

Evidenzen für DM







Rotationskurven von Sternen in Galaxien

Astronomie

Galaxienbewegungen, Gravitationslinsen Kosmologie (kosmische Hintergrundstrahlung, Strukturbildung, Elementenhäufigkeit) (WMAP)

Evidenzen

Die Suche nach dunkler Materie

Rotationskurven von Sternen von Sternen

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Die Milchstraße ●



Bei Milchstraße (und anderen Spiralgalaxien) leuchtende Materie auf einer Scheibe konzentriert 1

Nach Newton (Kepler)  r -Abfall für Umlaufgeschwindigkeit erwartet

1pc=3,26 Lichtjahre (ly)= 3,09 .1016m



m Stern v 2Rot M Galaxie m Stern M Galaxie F Z =F G ⇒ = ⇒ v= R R R2 ●

Beobachtet wird für einzelne Sterne am Rand der Scheibe eine konstante Umlaufgeschwindigkeit

Evidenzen: Astronomie

Die Suche nach dunkler Materie

07

Halo aus dunkler Materie ●

2 Annahme von zusätzlicher Materie mit ~1/ r erklärt dies

Halomodell  sichtbar , dunkel =

c0 a 2r 2

MS c 0=1,6⋅10 kpc a=2,8 kpc 9

1 kpc=3,26 ly

Quelle für Parameter: Vorlesung Professor Berger Evidenzen: Astronomie

Die Suche nach dunkler Materie

Bei unserem „Nachbarn“ sieht dies ähnlich aus ....

08

Unsöld: Der neue Kosmos

Außerhalb von 30 kpc findet man kaum noch Sterne Evidenzen: Astronomie

Die Suche nach dunkler Materie

09

Für andere Galaxien findet man ähnliche „Rotationskurven“

Dies alles ist schon lange bekannt. Doch es wurde DM in Form von Nebeln, Braunen Zwergen, .... vermutet ....

Evidenzen: Astronomie

Die Suche nach dunkler Materie

010

MAssiv Compact Halo Objekts

Anzahl der gefundenen Objekte reicht nicht aus, um die Rotationskurven zu erklären Kosmologie

Suche zwecklos doch vorher weitere astronomische Beobachtungen

Evidenzen: Astronomie

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Bei M ≈0,3 , einer Galaxiendichte von 5 10 /Mpc und einer angenommenen Dichteverteilung der DM von ~1/r2 muss sich das DMHalo einer Galaxie bis 700 kpc weit erstrecken .



-3

3

11

ganze Galaxienhaufen müssen in DM eingebettet sein ●

Gravitationslinseneffekte an Galaxienhaufen und Messungen der kin. Energie von Nebeln sind mit  M ≈0,3 verträglich  M =? ? ? ?

 M =? ? ?

Kosmologie

Evidenzen: Astronomie

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Einschub: Kosmologie ●

Grundlage zur Beschreibung des Universums: Friedmann-Gleichungen



2    k c2 R˙ =  − 2 R 3 3 R

 



 3p  R¨ =−  2  R 6 3 c 2

k =0,±1: Krümmung R : Abstandsskala =8G :Gravitation  c : Energiedichte  : Kosmologische Konstante , p= Druck

(Folgen aus der ART bei Annahme eines auf großen Skalen homogenen Universum) 3 H 02 Mit V =/ , T = M  R V , pC = =9,74⋅10−27 kg / m3=5 GeV / m3=5 P / m3 ,  M  R V  K =1, H 0 =Hubbelkonstante=72 km/ s / Mpc folgt :

Beschreibung der Dynamik des Universums:



 

2

      2

2 R R ˙R R =H 02  M 0  R 0 V  K Ro R R R0

Evidenzen: Kosmologie

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Heutiges Wissen ●

Supernovae-Untersuchungen: 0 , Universum expandiert beschleunigt

Größe des Universums



WMAP: k = K =0 , Universum flach

Evidenzen: Kosmologie

q0=

M −V 2

Alter des Universums Die Suche nach dunkler Materie

Quelle: http://map.gsfc.nasa.gov

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WMAP

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) Untersuchung der Anisothropien

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) Evidenzen: WMAP ●

1,5

m

1,5 Mio. km Die Suche nach dunkler Materie

Position und Messtechnik

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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. ... Evidenzen: WMAP

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Auswertung Bewegung des Sonnensystems relativ zum Galaxiezentrum und Galaxienhaufen

Entwicklung der Temperaturabweichung ∆T zum Mittelwert T0 nach Kugelflächenfunktionen Koeffizienten der Entwicklung: c l =

1 ∣al , m∣2 ∑ 2 l1 m

Die Entwicklung ergibt:

Michstraßenhintergrund

K  cos  =

1  2 l1  c l  P l  cos   ∑ 4 l

Maß für Leistungsspektrum

Frequenzen „zusammenfassen“ Maß für die T-Schwankungen Evidenzen: WMAP

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Resultate

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Maß für  B

Maß für Krümmung

∑ i =1,02±0,02 ,

V =0,72

 M =0,27±0,04  Bary =0,044±0,004 ,

Evidenzen: WMAP

CDM −Modell

,

lum=0,01

Kosmologische Konstante und kalte ?? DM Die Suche nach dunkler Materie

CMB-Anisothropien nach WMAP

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kalte ?? DM Evidenzen: WMAP

Die Suche nach dunkler Materie

CMB-Anisothropien nach10WMAP Aachen vor (13,7 ± 0,2 – 0,0004) a .

heutige Strukturen ??? Evidenzen: WMAP

19

9

kalte ?? DM Die Suche nach dunkler Materie

Strukturbildung ●



20

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 DM wechselwirkt nicht mit Photonen Kann schon vorher entkoppeln und „klumpen“

Evidenzen

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Elementenhäufigkeit

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Verhältnis Deuterium/Helium (Li, ...) hängt von der Baryonendichte im frühen Universum ab (bei höherer Dichte verschmelzen mehr Deuteriumkerne)

Universum: ~75% 1H, ~ 25% 4He, Radon -> Strahlung)

Experimente: DAMA

Altes Blei aus versunkenen, römischen Schiffen

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DAMA: Ergebnisse 6,3 −

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Evidenz für jährliche Modulation

- Effekt kann durch keine anderen äußeren Einwirkungen (z.B. Temperatur) erklärt werden - Andere Experimente können dies aber nicht bestätigen.... Experimente: DAMA

Die Suche nach dunkler Materie

Effekte, die eine anormale Modulation verursachen könnten

36

Temperaturänderungen Bergwerk ➔Detektor im Wärmekontakt mit Abschirmung ➔Klimaanlage

Rate



Modul DAMA/NaI-5 DAMA/NaI-6 DAMA/NaI7 δT -(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