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
06
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 2r 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
Die Suche nach dunkler Materie
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
Die Suche nach dunkler Materie
12
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 =8G :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
Die Suche nach dunkler Materie
13
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
14
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
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. ... Evidenzen: WMAP
Die Suche nach dunkler Materie
16
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 l1 m
Die Entwicklung ergibt:
Michstraßenhintergrund
K cos =
1 2 l1 c l P l cos ∑ 4 l
Maß für Leistungsspektrum
Frequenzen „zusammenfassen“ Maß für die T-Schwankungen Evidenzen: WMAP
Die Suche nach dunkler Materie
Resultate
17
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
18
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
Die Suche nach dunkler Materie
Elementenhäufigkeit
21
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
Die Suche nach dunkler Materie
DAMA: Ergebnisse 6,3 −
35
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