Dunkle Dunkle
Materie Materie
Grundlagen & Experimentelle Suche!
Tim Niels Plasa 26.06.2003
Der Rote Faden
Warum soll dunkle Materie existieren?
Woraus könnte die dunkle Materie bestehen?
Einige Experimente und ihre Ergebnisse
Ausblick für die folgenden Jahre
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Tim Niels Plasa
3 7
2 5
Nicht-baryonische DM 4
3 0.27
Tim Niels Plasa
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*1018cm
1 rad = 57,3°
CDM = kalte dunkle Materie
nichtrelativistische Bewegung im Zeitalter der Galaxienentstehung
HDM = Heiße dunkle Materie
relativistische Bewegung während der Galaxienentstehung
Tim Niels Plasa
Warum ist
dunkle Materie notwendig?
Rotationskurven von Galaxien
Messungen des Cobe und WMAP-
Satelliten (Geometrie des Universums)
Galaxienclusterdynamik
COBE & WMAP
Akkurate Messungen der CBR anisotropen Erscheinungen
Ωtot = 1,02 ± 0.02
Ω Λ = 0.73 ±0.04
Ω M = 0.27 ±0.04
Ω baryonic = 0.04 ±0.004 1°
7°
Tim Niels Plasa
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
Wie kommt man auf die Massenverteilung ?
Kritische Dichte = 3H0/G = 11 p/m3
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?
Tim Niels Plasa
Scheibengalaxien machen etwa 20 - 30% der Galaxien aus und eignen sich zum Beobachten der Eigenschaften der dunklen Halos - es handelt sich um flache Systeme,
deren Rotation gegen die Gravitation gegensteuert.
NGC 891
Eine Spiralengalaxie NGC 4414 -->
Die Rotationskurven der Spiralgalxien
Meistens rotieren sie nicht gleichmäßig - es gibt eine Varianz der Rotationskurven 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
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
Das radiale Gleichgewicht der Scheiben
Mit der Newtonschen Mechanik kann man die Masse innerhalb 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 eingeschlossene Masse im sichtbaren Bereich M(R) R^ 2
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!
Galaxie im Radiobereich
Galaxie im
sichtbaren Bereich
Tim Niels Plasa
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.
Minimale Scheibe maximales Halo
Maximale Scheibe minimales Halo
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 und dem dunklen Halo.
Es wird angenommen, dass dies schließlich teilweise auf die adiabatische Kompression des dunklen Halo durch die Baryonen zurückzu- führen ist, wenn Sie sich zusammenziehen, um die 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
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 Sphären
mit einem gut definierten Kern-Radius und zentraler Dichte, wobei
r -2
Isothermale Sphäre
Es gibt auch die pseudo-isothermale Sphäre
o {1 + (r / rc ) 2 } -1
Benutzt man dieses Modell für den dunklen Halo von großen Galaxien 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, welche
im Zentrum zugespitzt sind. Dieser Sachverhalt ist seit den 80ern bekannt (Navarro et al 1996 = NFW) bekannt mit der Dichte-
verteilung:
(r / rs ) - 1 {1 + (r/rs)} - 2
Verteilung der inneren Abnahme der Dichte ~ r
Beispiel für etwa 60
leuchtschwache Galaxien
Optische Rotationskurven teilen uns die Abnahme der Dichte mit.
NFW Halos haben
= -1
Flache Kerne haben
= 0
de Blok et al 2002
NFW
Man kann sagen, dass die Dichteverteilung der dunklen Halos viel 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 ein
flaches Zentrum (r) durch “heat transfer” in die kälteren zentralen Gebiete ermöglichen. (-->Kernkollaps wie in globularen Sternhaufen) (siehe Burkert 2000, Dalcanton & Hogan 2000)
Alternative:
Es gibt viele Wege zur Konvertierung von CDM cusps in
Tim Niels Plasa
• Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)
• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs), Neutrinos & Axionen
• Neue Physik
Kandidaten für die dunkle Materie
• 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
Tim Niels Plasa
Woraus bestehen Machos?
• Braune Zwerge
• Neutronensterne
• Weiße Zwerge
• Planeten
Tim Niels Plasa
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. )
Zum Gravitationslinsene ffektVerformung des Hintergrunds durch “unsichtbare”
Materie im Vordergrund
Ohne Macho Mit Macho
Tim Niels Plasa ==>
mag=Helligkeit exponentiell aufgetragen
• 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
Tim Niels Plasa
Mögliche
Erweiterung des
Standard Modells:
Supersymmetrie
Jedes Standard-Modell-Teilchen x hat einen supersymmetrischen Partner x
z.B. electron selectron neutrino sneutrino
gluon gluino
W boson Wino
~
Zugang zu den neuen Teilchen?
Hochenergie Strahlen
Kollisionsexperimente CMS(LHC),
ATLAS
Tim Niels Plasa
Die MSSM – Parameter
Die MSSM – Parameter
- Higgsino Massen Parameter M2 - Gaugino Massen Parameter
mA - Masse des CP-odd Higgs bosons tan - Verhältnis der Higgs Vakuum Erwartungswerte
m0 - skalarer Massen Parameter
Ab - trilinear coupling, bottom sector At - trilinear coupling, top sector
Parameter
Unit GeV
M2
GeV tan
mA
GeV
m0
GeV
Ab/m0
1
At/m0
1 Min -50000 -50000 1 0,1 114 -3 -3 Max +50000 +50000 60 10000 3000 3 3
Neutralino als dunkle Materie
SUSY WIMPs ( LSP : neutralino )
0 2 4 0
1 3 2
1
~
~
~ a Z~ a H a H
a
Nicht Baryonische kalte dunkle Materie Kandidaten
Kleinste Masse, lineare Superposition von Photino, Zino, Higgsino
N
Verschiedene Implementierungen der MSSM führt zu diversen
Neutralino Zg N112 N12 2
Annahme ist im galaktischen Halo präsent!
• ist sein eigenes Antiteilchen => kann annihilieren und dabei Gammastrahlung 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 _
_
DM Neutralino Suche
Wir schauen also nach Antiprotonen, Positronen, Gammastrahlung, die durch WIMP Annihilation
entstanden ist.
,...
, , , , ,
,
WW ZZ e p d 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...
Tim Niels Plasa
Signale von WIMPs
Erdbewegung durch das Milchstraßenhalo erzeugt asymmetrische charakteristische Verteilung der WIMPs.
Erdorbitalbewegung um die
Sonne (15 km/s)
Jährliche Modulation der WIMP Wechselwirkungsrate.
Tim Niels Plasa
WIMP Dunkle Materie Annihilationen?
Wenn das wahr ist, gibt es beobachtbare Halo Annihilationen in mono-
energetische Gammastrahlung.
q
q oder oder Z Linen ? X
X
Erweiterungen zum Standard Modell der Teilchenphysik geben uns also gute Kandidaten für galaktische dunkle Materie. Dies wäre dann eine völlig neue Form der Materie. Simulated response to 50 GeV side-entering ’s
Glast-Simulation
Antiproton oder Positron-Strukturen?
- = Untergrund, - = Untergrund + Signal
Positronen Signale von Neutralinos
Positronen Signale von Neutralinos
Qe(T,x ) 1
2 (annv) (x ) m
2
Bf dNf
f dT
Positron Quellenfunktion
In die Difffusionsgleichung wird das galaktische Modell einbezogen:
e
interstellar(Te )
Die Positronen treffen auf den solaren Wind. Dies wird noch in die Rechnung mit einbezogen.
e
Earth(Te )
Am besten schaut man nach Positronenzerfällen, e+/(e+ + e-) um die
Vernichtungsquerschnitt
Dichte
Geschwindigkeit
Tim Niels Plasa
Messung der Höhenstrahlung mit
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
Tim Niels Plasa
Tim Niels Plasa
Es gibt Versuche den HEAT Überschuss mit
supersymmetrischer dunkler Materie zu erklären:
– Kane, Wang and Wells Kane, 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
Tim Niels Plasa
Zusammenfassung Zusammenfassung
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
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...”
Neutralinoeinfang und Annihilation
Neutralinoeinfang und Annihilation
Sonne
Erde
Detektor
Geschwindigkeitsverteilung
Streu
Einfang
Vernichtung
WW
int. int.
Tim Niels Plasa
AMANDA
Tim Niels Plasa
Die Zukunft…
IceCube
IceCube:
80 strings 60
PMTs/string Depth: 1.4-
2.4 Km
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
Tim Niels Plasa
Direkte Suche nach Wimps
Benötigt: große Detektormasse, Abschirmung
CRESST am Gran Sasso
Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers
Tim Niels Plasa
CDMS &
EDELWEISS
WW wird als
Temperaturerhöhung nachgewiesen
Simulation
Tim Niels Plasa
Edelweis sJuni 2002 Edelweis sJuni 2002
Ausschließungsgrenzen !
Zusammenfassungen Zusammenfassungen
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
Tim Niels Plasa
Neutrinos
Zunächst aussichtsreichste Kandidaten, doch Galaxienbildung spricht dagegen
3.10 -2 m2eV
cm3
Um Rotationskurven in Galaxien beschreiben zu können, müssen Neutrinos ein m > 10 eV haben!
Tim Niels Plasa
• Geringer Beitrag, wenn atmosphärische Neutrinomessungen korrekt sind, m< 1eV.
• Große galaktische Strukturen sind schwer mit Neutrino dominierter dunkler Materie in Einklang zu bringen.
Schlussfolgerung
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+ ´ =>
Tim Niels Plasa
Neue Physik
?
??
?
Versuche von Erweiterungen bestimmter Gesetze:
- Gravitation
- Beschleunigung
Tim Niels Plasa