Inhalt 1. Einführung

(1)

IKP in KCETA klassP1 Johannes Blümer

Inhalt

1. Einführung

1.1. Was ist Physik?

1.2. Physikalische Größen und Einheiten

1.3. Messungen, Datenauswertung, Fehler

2. Klassische Mechanik

2.1. Kinematik der Massenpunkte 2.2. Dynamik der Massenpunkte 2.3. Systeme von Massenpunkten 2.4. Rotation

3. Gravitation

3.1. Gravitationsgesetz 3.2. Feld und Potential

3.3. Planetenbahnen: Kepler 3.4. Massenverteilungen

3.5. Dunkle Materie

4. Relativistische Mechanik

4.1. Bezugsysteme und Transformationen

4.2. Spezielle Relativitätstheorie 4.3. Relativistische Kinematik

5. Feste Körper und Flüssigkeiten

5.1. Feste Körper

5.2. Hydrostatik und Hydrodynamik

6. Schwingungen und Wellen

6.1. Schwingungen 6.2. Wellen

1

(2)

(3)

massive Vollkugel

g

r

r r

m’(r) M

R

aussen, r > R : g_r(r) = GM r² innen, r < R : g_r(r) = GM

R³ · r

(4)

freier Fall durch die Erde

welcher Bewegung vollführt der

Probekörper?

(5)

76 2. Mechanik eines Massenpunktes

Abb. 2.54. (a) Aufbau der Erde, (b) radialer Dichteverlauf

Abb. 2.55. Die Erde als Geoid. Aufgetragen ist in einem 80 000fach vergrößerten Maßstab die angenäherte Abwei- chung des Geoids von einem abgeplatteten Rotationsellipsoid mit (a −b)/a = 1/298,25 (gestrichelte Kurve), wobei a die große, b die kleine Achse des Ellipsoids ist. Auch dies gibt nur annähernd die wahre Form der Erdoberfläche wieder

Die Erdbeschleunigung g nimmt daher in einem Schacht mit zunehmender Tiefe mit rⁿ, (n < 1) ab.

3. Die Massenverteilung der Erde ist nicht kugelsym- metrisch. Das Gravitationsfeld der Erde ist deshalb nicht genau ein Zentralkraftfeld. Dies bedeutet, dass der Drehimpuls eines Satelliten, der die Erde umkreist, nicht völlig zeitlich konstant ist. Aus der zeitlichen Veränderung der Bahnebenen von Satel- liten, deren Position r(t) man mit Radarverfahren auf wenige cm genau (!) vermessen kann, lässt sich die Massenverteilung !(ϑ, ϕ) bestimmen [2.9].

4. Die Äquipotentialflächen des Erdgravitationspoten- tials bilden ein Geoid (Abb. 2.55). Eine dieser Flächen, die mit der mittleren Fläche der Ozea- ne übereinstimmt, wird als Normal-Null-Fläche (N.N.) definiert, von der aus alle Höhen auf der Erdoberfläche gemessen werden [2.10].

2.9.6 Experimentelle Prüfung des Gravitationsgesetzes

Aus den Planetenbewegungen lässt sich nur das Produkt G · M_" aus Gravitationskonstante G und Son- nenmasse M_" bestimmen. Den absoluten Wert von G muss man durch Laborexperimente ermitteln. Sol- che Experimente wurden zuerst 1798 von Cavendish durchgeführt und später mit verbesserter experimen- teller Ausrüstung von zahlreichen Experimentatoren wiederholt [2.11], von denen Eötvös 1896 durch seine ausführlichen Präzisionsmessungen besonders bekannt wurde [2.2].

Die meisten dieser Experimente basieren auf dem Prinzip der Drehwaage (Abb. 2.56): An einem dünnen Faden hängt ein leichter Balken der Länge 2L mit zwei kleinen gleichen Massen m₁ = m. Auf einem drehba- ren Bügel liegen zwei große, einander gleiche Massen m₂ = M, die man in die Stellungen a oder b drehen kann, so dass der Balken mit den Massen m durch die Gravitationskraft zwischen m und M im Uhrzeigersinn (Stellung b) bzw. im Gegenuhrzeigersinn (Stellung a) gedreht wird. Durch die Drehung verdrillt sich der Fa- den der Länge l und es entsteht ein rücktreibendes Drehmoment, das bei einem Drehwinkel ϕ durch

D_r = π

2 G^∗ d⁴

16l ·ϕ (2.82)

gegeben ist, wobei G^∗ der Torsionsmodul und d der Durchmesser des Fadens ist (siehe Abschn. 6.2.3). Der 76 2. Mechanik eines Massenpunktes

Abb. 2.54. (a) Aufbau der Erde, (b) radialer Dichteverlauf

Abb. 2.55. Die Erde als Geoid. Aufgetragen ist in einem 80 000fach vergrößerten Maßstab die angenäherte Abwei- chung des Geoids von einem abgeplatteten Rotationsellipsoid mit (a−b)/a = 1/298,25 (gestrichelte Kurve), wobei a die große, b die kleine Achse des Ellipsoids ist. Auch dies gibt nur annähernd die wahre Form der Erdoberfläche wieder

Die Erdbeschleunigung g nimmt daher in einem Schacht mit zunehmender Tiefe mit rⁿ, (n < 1) ab.

3. Die Massenverteilung der Erde ist nicht kugelsym- metrisch. Das Gravitationsfeld der Erde ist deshalb nicht genau ein Zentralkraftfeld. Dies bedeutet, dass der Drehimpuls eines Satelliten, der die Erde umkreist, nicht völlig zeitlich konstant ist. Aus der zeitlichen Veränderung der Bahnebenen von Satel- liten, deren Position r(t) man mit Radarverfahren auf wenige cm genau (!) vermessen kann, lässt sich die Massenverteilung !(ϑ, ϕ) bestimmen [2.9].

4. Die Äquipotentialflächen des Erdgravitationspoten- tials bilden ein Geoid (Abb. 2.55). Eine dieser Flächen, die mit der mittleren Fläche der Ozea- ne übereinstimmt, wird als Normal-Null-Fläche (N.N.) definiert, von der aus alle Höhen auf der Erdoberfläche gemessen werden [2.10].

2.9.6 Experimentelle Prüfung des Gravitationsgesetzes

Aus den Planetenbewegungen lässt sich nur das Produkt G · M_" aus Gravitationskonstante G und Son- nenmasse M_" bestimmen. Den absoluten Wert von G muss man durch Laborexperimente ermitteln. Sol- che Experimente wurden zuerst 1798 von Cavendish durchgeführt und später mit verbesserter experimen- teller Ausrüstung von zahlreichen Experimentatoren wiederholt [2.11], von denen Eötvös 1896 durch seine ausführlichen Präzisionsmessungen besonders bekannt wurde [2.2].

Die meisten dieser Experimente basieren auf dem Prinzip der Drehwaage (Abb. 2.56): An einem dünnen Faden hängt ein leichter Balken der Länge 2L mit zwei kleinen gleichen Massen m₁ = m. Auf einem drehba- ren Bügel liegen zwei große, einander gleiche Massen m₂ = M, die man in die Stellungen a oder b drehen kann, so dass der Balken mit den Massen m durch die Gravitationskraft zwischen m und M im Uhrzeigersinn (Stellung b) bzw. im Gegenuhrzeigersinn (Stellung a) gedreht wird. Durch die Drehung verdrillt sich der Fa- den der Länge l und es entsteht ein rücktreibendes Drehmoment, das bei einem Drehwinkel ϕ durch

D_r = π

2 G^∗ d⁴

16l · ϕ (2.82)

gegeben ist, wobei G^∗ der Torsionsmodul und d der Durchmesser des Fadens ist (siehe Abschn. 6.2.3). Der

(6)

Solche sehr schwierigen Experimente haben eine große Bedeutung als experimentelle Prüfung neuer Theorien, die versuchen, die Gravitation und die anderen drei Wechselwirkungen auf eine gemeinsame Grundlage zurückzuführen. Dazu gehören auch Expe- rimente, die die Gleichheit von träger und schwerer Masse prüfen, wie sie von Eötvös 1922, Dicke 1960 und vielen anderen durchgeführt wurden. Hier wird die träge Masse für verschiedene Materialien aus der Schwingungsdauer der Gravitationswaage bestimmt (siehe [2.17]). Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass der Quotient m_t/m_s von träger und schwerer Masse gleich 1 ist und dass für zwei Materialien A und B die Differenz

η(A, B) =

! m_t

m_s

"

A −

! m_t

m_s

"

B

< 10⁻¹² ist [2.17].

Aus der Umlaufzeit T = 2π/ω eines Satelliten (z. B. des Mondes), der mit der Winkelgeschwindig- keit ω um die Erde kreist, lässt sich wegen

m · ω² · r = G · m · M r²

bei Kenntnis der Gravitationskonstanten G die Mas- se M der Erde bestimmen. Der experimentelle Wert ist

M = 5,974 · 10²⁴ kg .

Bei Kenntnis der Fallbeschleunigung g auf der Erd- oberfläche kann man dann aus

m · g = G · M · m R²

Tabelle 2.2. Masse und mittlere Dichte von Sonne, Planeten und Erdmond

Planet Symbol Masse in mittlerere Dichte $ Erdmassen in 10³ kg/m³

Sonne 3,33 · 10⁵ 1,41

Merkur 0,0558 5,42

Venus 0,8150 5,25

Erde 1,0 5,52

Mars 0,1074 3,94

Jupiter 317,826 1,314

Saturn 95,147 0,69

Uranus 14,54 1,19

Neptun 17,23 1,66

Erdmond 0,0123 3,34

den Erdradius und daraus die mittlere Dichte $ = 3M/(4πR³) ermitteln.

Vergleicht man die mittleren Dichten der einzelnen Planeten (Tabelle 2.2), so fällt auf, dass die inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars vergleichbare Dichten um $ = 5 g/cm³ haben, während die äußeren Planeten und die Sonne wesentlich kleinere Dichten zeigen. Diese experimentelle Tatsache lässt sich in- zwischen durch ein Modell der Entstehung unseres Sonnensystems verstehen [2.7] (siehe Bd. 4).

2.9.7 Experimentelle Bestimmung der Erdbeschleunigung

Die genaueste Bestimmung der Erdbeschleunigung ist durch die Messung der Schwingungsdauer T eines Pendels möglich. Dieses besteht aus einer Kugel der Masse m, die an einem Faden der Länge L (gemessen zwischen Aufhängepunkt A und Mittelpunkt M der Kugel) hängt. Wenn die Masse des Fadens ver- nachlässigbar ist gegen m und der Durchmesser d der Kugel sehr klein gegen L ist, heißt die Anord- nung mathematisches Pendel, weil m als Punktmasse behandelt werden kann. Die Bewegung des Pendels un- ter dem Einfluss der Schwerkraft kann man sich wie folgt klarmachen: Die Kraft F = m · g wird in zwei Komponenten zerlegt (Abb. 2.58).

•

Eine radiale Komponente F_r, die im gespannten Faden eine gleich große, entgegengerichtete Kraft hervorruft und deshalb nichts zur Beschleunigung beiträgt.

•

Eine tangentiale Komponente F_t = −m · g· sin ϕ, die eine Tangentialbeschleunigung a_t = −g· sin ϕ bewirkt.

Abb. 2.58. Zur Messung der Erdbe- schleunigung mit dem mathematischen Pendel

(7)

Tabelle 2.1. Bahndaten der acht großen Planeten (mit dem Erdmond zum Vergleich)

Name Symbol Große Halbachse Umlauf- mittlere numerische Bahn- kleinste größte der Bahn a dauer Umlauf- Exzentri- neigung Entfernung

T geschwin- zität i von der Erde

digkeit e

in AE in 10⁶ km in Licht- in kms⁻¹ in AE in AE

laufzeit t

Merkur 0,39 57,9 3,2 min 88 d 47,9 0,206 7,0^◦ 0,53 1,47

Venus 0,72 108,2 6,0 min 225 d 35,0 0,007 3,4^◦ 0,27 1,73

Erde 1,00 149,6 8,3 min 1,00 a 29,8 0,017 – – –

Mars 1,52 227,9 12,7 min 1,9 a 24,1 0,093 1,8^◦ 0,38 2,67

Jupiter 5,20 778,3 43,2 min 11,9 a 13,1 0,048 1,3^◦ 3,93 6,46

Saturn 9,54 1427 1,3 h 29,46 a 9,6 0,056 2,5^◦ 7,97 11,08

Uranus 19,18 2870 2,7 h 84 a 6,8 0,047 0,8^◦ 17,31 21,12

Neptun 30,06 4496 4,2 h 165 a 5,4 0,009 1,8^◦ 28,80 31,33

Erdmond 0,00257 0,384 1,3 s 27,32 d 1,02 0,055 5,1^◦ 356 410 km 406 740 km

• ^Für ^E ⁼ 0 ergibt (2.67) nur eine Lösung r_min = L²

2Gm²M , (2.68)

was man auch aus der Polardarstellung (2.66) der Parabel für ϕ = 0 sofort sieht.

In Tabelle 2.1 sind die Bahndaten der acht großen Planeten unseres Sonnensystems zusammengestellt.

Anmerkung

Pluto wird seit 2006 nach einer Entscheidung der In- ternationalen Astronomischen Union nicht mehr als Planet eingestuft, sondern ist in die neue Katego- rie der Zwergplaneten eingeordnet worden, zu der z. B. auch Ceres, Eris und eventuell etwa 200 weitere Zwergplaneten im Kuiperg¨urtel geh¨oren.

Man beachte:

1. Die Lage der Bahnebene eines Planeten hängt ab von den Anfangsbedingungen bei der Bildung des Sonnensystems aus einer kollabierenden rotieren- den Gaswolke [2.7]. Da diese Anfangsbedingungen für die einzelnen Planeten unterschiedlich waren, sind die Bahnebenen der verschiedenen Planeten etwas gegeneinander geneigt (Abb. 2.49). Außerdem ist die Gesamtkraft auf einen Planeten wegen der

Wechselwirkungen mit den anderen Planeten keine Zentralkraft mehr, so dass sich die Bahnebene im Laufe der Zeit etwas verändern kann.

2. Bei genauerer Betrachtung muss man berücksichti- gen, dass die Sonne nicht in einem Brennpunkt ruht, da ihre Masse nicht unendlich groß ist, sondern dass Sonne und Planeten sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen, der aber wegen M_# $ m nicht weit vom Mittelpunkt der Sonne entfernt ist [2.8]. Für genauere Rechnungen muss man die Masse m des Planeten durch die reduzierte Masse µ = m M_#/(m + M_#) ersetzen (siehe Abschn. 4.1), wobei M_# > 100·!8

i=1 m_i, also mehr als 100 mal größer als die Gesamtmasse aller Planeten ist.

Abb. 2.49. Neigungswinkel der Planetenbahnen gegen die Ekliptik. Die Winkel sind der Deutlichkeit halber stark vergrößert gezeichnet

0 1 10 100

Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun

y = 0.1719e^0.6526x

Abstand zur Sonne [AE]

einfache Trendlinie, kein richtiger ‘fit’

(8)

http://exoplanet.eu

(9)

0 13 25 38 50

0 10 20 30 40

y = 29.794x^-0.5011

Abstand zur Sonne [AE]

Umlaufgeschwin- digkeit [km/s]

Tabelle 2.1. Bahndaten der acht großen Planeten (mit dem Erdmond zum Vergleich)

Name Symbol Große Halbachse Umlauf- mittlere numerische Bahn- kleinste größte der Bahn a dauer Umlauf- Exzentri- neigung Entfernung

T geschwin- zität i von der Erde

digkeit e

in AE in 10⁶km in Licht- in kms⁻¹ in AE in AE

laufzeit t

Merkur 0,39 57,9 3,2 min 88 d 47,9 0,206 7,0^◦ 0,53 1,47

Venus 0,72 108,2 6,0 min 225 d 35,0 0,007 3,4^◦ 0,27 1,73

Erde 1,00 149,6 8,3 min 1,00 a 29,8 0,017 – – –

Mars 1,52 227,9 12,7 min 1,9 a 24,1 0,093 1,8^◦ 0,38 2,67

Jupiter 5,20 778,3 43,2 min 11,9 a 13,1 0,048 1,3^◦ 3,93 6,46

Saturn 9,54 1427 1,3 h 29,46 a 9,6 0,056 2,5^◦ 7,97 11,08

Uranus 19,18 2870 2,7 h 84 a 6,8 0,047 0,8^◦ 17,31 21,12

Neptun 30,06 4496 4,2 h 165 a 5,4 0,009 1,8^◦ 28,80 31,33

Erdmond 0,00257 0,384 1,3 s 27,32 d 1,02 0,055 5,1^◦ 356 410 km 406 740 km

• ^Für ^E ⁼0 ergibt (2.67) nur eine Lösung r_min = L²

2Gm²M , (2.68)

was man auch aus der Polardarstellung (2.66) der Parabel für ϕ = 0 sofort sieht.

In Tabelle 2.1 sind die Bahndaten der acht großen Planeten unseres Sonnensystems zusammengestellt.

Anmerkung

Pluto wird seit 2006 nach einer Entscheidung der In- ternationalen Astronomischen Union nicht mehr als Planet eingestuft, sondern ist in die neue Katego- rie der Zwergplaneten eingeordnet worden, zu der z. B. auch Ceres, Eris und eventuell etwa 200 weitere Zwergplaneten im Kuiperg¨urtel geh¨oren.

Man beachte:

1. Die Lage der Bahnebene eines Planeten hängt ab von den Anfangsbedingungen bei der Bildung des Sonnensystems aus einer kollabierenden rotieren- den Gaswolke [2.7]. Da diese Anfangsbedingungen für die einzelnen Planeten unterschiedlich waren, sind die Bahnebenen der verschiedenen Planeten etwas gegeneinander geneigt (Abb. 2.49). Außerdem ist die Gesamtkraft auf einen Planeten wegen der

Wechselwirkungen mit den anderen Planeten keine Zentralkraft mehr, so dass sich die Bahnebene im Laufe der Zeit etwas verändern kann.

2. Bei genauerer Betrachtung muss man berücksichti- gen, dass die Sonne nicht in einem Brennpunkt ruht, da ihre Masse nicht unendlich groß ist, sondern dass Sonne und Planeten sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen, der aber wegen M_# $m nicht weit vom Mittelpunkt der Sonne entfernt ist [2.8]. Für genauere Rechnungen muss man die Masse m des Planeten durch die reduzierte Masse µ =m M_#/(m+M_#) ersetzen (siehe Abschn. 4.1), wobei M_# > 100·!8

i=1 m_i, also mehr als 100 mal größer als die Gesamtmasse aller Planeten ist.

Abb. 2.49. Neigungswinkel der Planetenbahnen gegen die Ekliptik. Die Winkel sind der Deutlichkeit halber stark vergrößert gezeichnet

Die Umlaufge- schwindigkeit als

Funktion des Abstands geht wie

1/√r

(10)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

Gravitationsbindung im Coma-Haufen?

10

Fritz Zwicky (1898-1974)

Helv. Phys. Acta 6 110-127 (1933)

́Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln ́

Virialsatz:

T = –U/2

90% der Coma- Masse ist nicht sichtbar...???

Should this turn out to be true, the surprising result

would follow that dark matter is present in a much higher density than radiating matter”

(11)

KIT-IEKP 21 10.12.2009 G. Drexlin –VL08

NGC 6305

Evidenzen – Rotationskurven Galaxien

Scheibe Kepler

v 1r

r 

M r G

v

r GM r

a v

a r m

m M

F G

r rot

r











) (

2 2

2

Kepler´sche Bahn: Rotationsgeschwindigkeit v_rot

eines Sterns der Masse m um innere Zentralmasse M_r (Radius r außerhalb der galaktische Bulge, r>5kpc)

da experimentelle Beobachtung v_rot(r) = const.

Problem der ´fehlenden Masse´

 Dunkelmaterie-Halo

Gas dunkler Halo

Rotations- kurven

11 22 10.12.2009 G. Drexlin –VL08 KIT-IEKP

Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien

2

) 1 ( ) (

r r r r

M





 - lineare Massenzunahme 

mit Radius (heute bis 50 kpc)

sphärischer Halo aus Dunkler Materie

Dark Matter Halo:

- bildet ~80 - 90% der Gesamtmasse einer Galaxis

- primordiale Dichtfluktuationen:

Gravitationspotenzial für baryon. Materie

DM Halo

150

100

50

0 Masse [109 Sonnenmassen]

0 10 20 30 Radius [1000 Lichtjahre]

dunkle Materie Baryonen

KIT-IEKP 20 10.12.2009 G. Drexlin –VL08

Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien

M33 Rotationskurve Beobachtung

Scheibe

R [kpc]

v [km/s]

Rotation von M33: Dopplereffekt bei =21 cm, Radio: VLA & WRST

experimentelle Beobachtung: die Rotationsgeschwindigkeit nimmt nicht wie erwartet mit v_rot~ R^-½ ab, sondern es gilt: v_rot~ const.

v_rot aus der doppler-verschobenen  = 21 cm Linie (Radioemission)

(12)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 12

(13)

Gravitationslinsen

13

(14)

Mikrolinsen & MACHOs

14

Fig. 4.— The lightcurves for the 29 candidates (25 stars) in § 3.2. For each object, the upper and lower panels show red and blue passbands. Flux is in linear units with 1σ estimated errors, normalized to the fitted unlensed brightness. Full lightcurves are shown with 2 day binning, insets of the event regions are unbinned. The full lightcurves can be found on the World Wide Web at http://wwwmacho.anu.edu.au/The thick line is the fit to unblended microlensing (Table 4), except for probable supernovae where both the blended fit (solid line) and type Ia fit (dashed line) are shown.

38

arXiv:0001272v1.pdf

(15)

15 KIT-IEKP

22 17.12.2009 G. Drexlin – VL09

Evidenzen – Galaxiencluster 1E 0657-556

baryonisches heißes Gas

im Röntgenlicht (Chandra)

dunkle Materie weak lensing (HST)

Bullet Cluster d =1 Gpc z = 0.296

(16)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 16

Energie-Massenbudget

(17)

DM-Teilchen

17 KIT-IEKP

8 07.01.2010 G. Drexlin – VL10

Neutralino  Neutrino 

WIMP

WIMP-Teilchenkandidaten für CDM

log Teilchenmasse [M/1GeV]

log Wirkungsquerschitt [ int/1pb] ^MSSM

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40

-12 -6 0 6 12 18

Axino

keV GeV M_GUTM_Pl

Gravitino

WIMPzilla

Axion

leichtes (10^-6…10^-3 eV) WIMP, entsteht bei nichtthermischen Prozessen, erklärt das starke CP-Problem (Peccei-Quinn)

Axino

SUSY-Partner des Axions, aus Zerfällen von SUSY-Teilchen

Gravitino

SUSY-Partner des Gravitons, nur gravitative Wechselwirkung

WIMPzilla

extrem massereiche, nichttherm.

Relikte (Krümmungseffekte)

Axion

(18)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA PAGE 2 18

The quest for Dark Matter

(19)

DIrekte Messmethoden

19

Evidence

WIMP Detection Experiments

IndirectDetection CandidatesEvidenceConclusion

Heat

Scintillation Ionization

NaI Xe/Ar

...

Cryo detectors

Germanium, Gas, Superheated liquids Liquid Xe/Ar

CaWO₄ BGO

... Germanium

Silicon

CRESST I

CDMS,

EDELWEISS

HDMS, IGEX, TEXONO, CoGeNT DRIFT, Picasso, Simple, COUPP CRESST II,

ROSEBUD

DAMA, LIBRA NAIAD

ANAIS KIMS ZEPLIN XMASS

DEAP ZEPLIN II III, XENON, LUX

ArDM, WARP

September 2009

DirectDetection

32

(20)

EDELWEISS XENON

20 5 11.02.2010 G. Drexlin – VL15 KIT-IEKP

2-Phasen LXe-Experimente: Grundlagen

LXe

PMT Array in LXe

E_R

T_drift

5 µs / cm

E

_D

PMT Array

h

Elektronen

Gas

^h

E

_ext

Anode

S1 S2

Streuereignis

primäre Szintillation: S1

gedriftete Elektronen

sekundäre Szintillation S2

In einem 2-Phasen LXe Detektor entstehen zwei Signale S1 und S2:

S1: promptes Szintillationslicht aus der primären Xe-Anregung im LXe S2: verzögerte ´Elektrolumineszenz´ durch gedriftete Elektronen im GXe:

Elektronen aus der Ionisation werden mit Feld E

_D

gedriftet & mit einem starkem Feld E

_ext

(Extraktion) in die Xe-Gasphase extrahiert,

dort erzeugen sie wegen der hohen Feldstärke

durch Kollisionen proportionales Licht (S2)

(21)

EDELWEISS DM detection technology

Center electrode Guard ring

7 cm

m=320g

! !

G

70 mm NTD guard

2008 data

@ LSM

(22)

shielding concept

!

n

𝟀

(23)

DM-Signatur in EDELWEISS

23

KIT-IEKP 18 04.02.2010 G. Drexlin – VL14

Kryobolometer - Teilchendiskrimination

7 cm

Ge-Bolometer mit Ladungs- und Phonon-Signal ermöglichen eine

gute Abtrennung des Kern-Rückstoßes von Elektronen, Gammas bzw. Alphas (z.B. aus Zerfallskette ²¹⁰Po → ²⁰⁶Pb + )

Ionisation: Ladungssignal des Ge-Kerns ist auf ~ ⅓ reduziert (Quenching)

0 40 80 120 160 200 Rückstoßenergie [keV]

Gammas Elektronen

Kernrückstöße

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4

Ionisation/Rückstoßverhältnis Q 0.2

Phononen

Ionisation

Koinzidenz: Phononsignal & Ionisation

0 2 4 6 8 10

Zeit [ms]

0 100 200 300 400 500

100 0 300 200 100 0

Definition der Untergrund- und Signalregionen durch Analyse-MC und Kalibration mit Gamma- und Neutronenquellen

(24)

Das DAMA-”Signal”

24

The DAMA annual modulation signal

evidence for an annual modulation of the count rate:

Bernabei et al., 0804.2741

2-6 keV

Time (day)

Residuals (cpd/kg/keV)

DAMA/NaI (0.29 ton×yr)

(target mass = 87.3 kg) DAMA/LIBRA (0.53 ton×yr) (target mass = 232.8 kg)

T. Schwetz, SFB meeting Munich, 29 Jan 2009 – p. 11

Bernabei et al., 0804.2741