Dunkle Materie, was ist das?

We don’t know it, because we don’t see it!

Christian Sander: DM kann man heute sehen! Doktorarbeit Uni Karlsruhe(Juni, 2005) Juni. 17, 2005

Kolloquium Karlsruhe, W. de Boer, Univ. Karlsruhe

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Dark Matter Searches with AMS-02 AMS: Alpha Magnetic Spectrometer

2008 Large acceptance detector (0.4 m2sr) with excellent particle identification by Silicon Tracker in SC magnet, RICH, TRD, TOF, EM Calorimeter Juni. 17, 2005

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TRD readout electronics F. Hauler, L. Jungerman,M. Schmanau, WdB

~2600 channels of TRD readout

Vibration tests up to 9g

Crate out of Alu for good heat conduction to radiators Juni. 17, 2005

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Dunkle Materie, was ist das? • Was wissen wir über Dunkle Materie?

From CMB + SN1a

massive Teilchen 23% der Energie des Universums schwache Wechselwirkung mit Materie Annihilation mit =2.10-26 cm3/s • Annihilation in Quarkpaare -> Überschuss in galaktischen Gammastrahlen Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit) • WIMP Masse 50-100 GeV aus Spektrum • Verteilung der Dunkle Materie • Data konsistent mit Supersymmetrie Juni. 17, 2005

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Warum Dunkle Materie? Rotationskurve Solarsystem Rotationskurve Milchstraße

Juni. 17, 2005

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Wieviel Dunkle Materie gibt es?

SNIa sensitive to acceleration, i.e. ΩΛ - (ΩSM+ ΩDM) If it is not dark, it does not matter

CMB sensitive to overall density, i.e. ΩΛ + ΩSM + ΩDM)

Dunkle Materie: Grav. anziehend Dunkle Energie: Grav. abstoßend (wenn dρ/dt=0!)

Ω= ρ / ρcrit = ΩB+ ΩDM + ΩΛ=1 23±4% der Energie des Univ. = DM (WIMPS)

Juni. 17, 2005

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Expansionsrate bestimmt WIMP Annihilationswirkungsquerschnitt Thermal equilibrium abundance

Comoving number density

Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

Actual abundance

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f Tf+f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationrate ≅ Expansionsrate, i.e. Γ=nχ(xfr) ≅ H(xfr) !) WMAP -> Ωh2=0.113±0.009 -> =2.10-26 cm3/s DM nimmt wieder zu in Galaxien: ≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈105 . DMA (∝ρ2) fängt wieder an. Annihilation in leichteren Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> π0’s -> Gammas!

T=M/22 x=m/T

Juni. 17, 2005

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DM Annihilation in Supersymmetrie χ

f χ

~

f χ

f

χ

f χ

χ

W χ±

χ

A

f χ

f Z

χ

f ≈37 gammas

Z χ0

W

χ

Z

Dominant χ + χ ⇒ A ⇒ b bbar quark pair

B-Fragmentation bekannt! Daher Spectra der Positronen, Gammas und Antiprotons bekannt!

Galaxie = Super B-Fabrik mit Lumi 1040 x B-Fabrik Juni. 17, 2005

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Gamma Spektren der WIMP Annihilation

Form der Gamma Spektren für alle Kanäle ähnlich! Juni. 17, 2005

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Woher erwartet man Untergrund? No SM

No SM

Protons

Quarks from WIMPS

Electrons Quarks in protons

Juni. 17, 2005

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Grundlagen der Astroteilchenphysik Gamma Strahlen der WIMP Annihilation in Richtung ψ: 2

Ähnliche Ausdrücke für: pp->π0+x->γγ+x, (ρ = Gasdichte, max. in der Scheibe) eγ->eγ, eN->eγN, (ρ = Elektron/Gamma Dichte) Extragalaktischer Untergrund (isotrop) DM Annihilation (ρ∝ 1/r2 für flache Rotationskurve) Alle haben gleiche, aber unterschiedliche Energie Spectren. Wirkungsquerschnitte bekannt. Dichten weniger bekannt, daher freie Normierungen für Untergrund und Signal Normierungsfehler: 15% für EGRET. Punkt-zu-Punkt Fehler jedoch nur 7%. Nur diese sind wichtig für Form der Spektren. Juni. 17, 2005

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Untergrund und Signal beschreiben EGRET Daten! WIMP MASSE 50 - 100 GeV

Rot=Fluss der DM Annihilation Gelb = Untergrund Blau = Unsicherheit

W

P M I

S IC

PS

Extra gal.

IC

. tr

Blau: Unsicherheit des Untergrundes

tr .

W

IM

100

ss em Br

Br Extra gal. em ss

Juni. 17, 2005

π0

π

0

65

Blau: Unsicherheit der WIMP Masse

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EGRET on CGRO (Compton Gamma Ray Observ.)

9 yrs of data taken (1991-2000) Main purpose: sky map of point sources above diffuse BG. Juni. 17, 2005

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Information über Dunkle Materie Astronomie

Rotationskurve Ringförmiger Struktur von Sternen bei 14 kpc Ringförmiger Struktur von Wasserstoff bei 4 kpc

Astroteilchenphysik Kosmische Strahlung (Gammastrahlen)

Kosmologie

23%DM, Hubble Annihilation Strukturformation

Teilchenphysik Spectra der Gammastrahlung für Untergrund und DMA

Big Bang Juni. 17, 2005

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“Executive Summary” Expected Profile

z

xy

v2∝M/r=cons.

Rotation Curve and ρ∝M/r3 x ρ∝1/r2 y 1/r2 halo disk for const. 2003, Ibata et al, Yanny et al. rotation xz bulge curve Ghostly Ring: Divergent for Ring 108-109 MInner r=0? ü sichtbare Materie Outer Ring NFW∝1/r 10 11 10 -10 M dunkle Materie Isotherm const. (aus Gamma üDaten: M=nχ m χ) to

ta

lD M

xy

Observed Profile

xz

Halo profile Juni. 17, 2005

Gesamtmasse Galaxie: 3.1012 Mü

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Wie sehen andere Galaxien aus?

Sofue & Honma

Juni. 17, 2005

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Ringe auch früher schon gesehen von EGRET

HI at 14 kpc

Cosmic Enhancement Factor

No conv.explanation for excess of gamma rays at 4 and 14 kpc H2 forms in presence of dust etc.⇒ Grav. potential at 4 kpc? Should see DMA Ring at 14 kpc coincides with ring of stars.Infall of satellite? Should see DMA

H2 at 4 kpc

Juni. 17, 2005

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17

N-body Simulation der Formation einer Galaxie

Clustering enhances flux from DMA by factor 20-200 (Dokuchaev et al. Juni. 17, 2005

Kolloquium Karlsruhe, de Boer, Univ.Potsdam Karlsruhe Movie from M. W. Steinmetz,

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Possible origin of ring like structure Infall of dwarf galaxy in gravitational potential of larger galaxy into elliptical orbit start precessions, if matter is not distributed homogeneous. Tidal forces ∝ gradient of field, i.e. ∝ 1/r3. This means tidal disruption only effective at pericentre for large ellipticity! Apocenter

Pericenter

Juni. 17, 2005

Could tidal disruption of dwarf galaxy lead to ringlike structure of 1010 solar masses? N-body simulations no clear answer. All depends on initial conditions. Also no clear explanation for ring of stars of 109 solar masses.

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Tidal disruption of satellite in potential of larger galaxy

Hayashi et al., astro-ph/02003004 Juni. 17, 2005

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Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen

A: inner Galaxy

B: outer disc

E: intermediate lat.

D: low latitude

A: inner Galaxy (l=±300, |b|