Indirekter Nachweis dunkler Materie
Hauptseminar von Joschka Tepelmann 05.07.13
Gliederung
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Kurze historische Begründung für die dunkle Materie
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Verschiedene Arten von dunkler Materie
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Neutralino-Annihilation
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Experimente zum indirekten Nachweis von DM
Was ist dunkle Materie?
● 1933 vom Schweizer Astronom Zwicky postuliert (Anwendung des Virialsatzes auf einen Galaxienhaufen)
● Für die Erklärung der Bahngeschwindigkeit der äußeren Sternen von Galaxien notwendig
● Für die Erklärung des Gravitationslinseneffekts großer Galaxien notwendig
Arten von dunkler Materie (DM)
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Baryonische DM
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Nichtbaryonische DM
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Heiße DM (Geringe Masse)
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Kalte DM (Große Masse)
Baryonische DM
● Die Baryonenmassendichte nach oben hin stark beschränkt sein, wenn man die Theorie der primordinalen Nukleosynthese nicht aufgeben will
● Auch experimentell konnten über Gravitationslinseneffekte keinen nennenswerte Anteile bestimmt werden
Der einzig einzig ernstzunehmende Kandidat für diese
Form von DM sind MACHOS(Massive astrophysical
compact halo object)
Nicht-Baryonische DM
● Neutrinos können aufgrund des kosmologischen Bottom- Up-Szenarios als
wesentlicher Beitrag zur DM ausgeschlossen werden
● Das WIMP ist das derzeit favorisierte Teilchen für den größten Anteil an DM
● Wahrscheinlichster Kandidat für das WIMP ist das
leichteste Neutralino aus den supersymmentrischen
Erweiterungen des Standardmodells
Heiße DM Kalte DM
Eigenschaften der Neutralinos
● Unterliegt nur der gravitativen und schwachen Wechselwirkung (Trägt weder elektrische-noch Farbladung)
● Masse liegt wahrscheinlich zwischen 50 GeV und einigen TeV
● Wird aus Überlagerungen der 2 neutralen Higgsinos und den neutralen Superpartnern der Eichbosonen des Standardmodells (Photino und Zino) gebildet
● Neutralinos sind Majorana-Teilchen und damit mit ihren Antiteilchen identisch
● Das leichteste Neutralino ist in R-Paritätserhaltenden, supersymmetrischen Theorien stabil
Verteilung der DM
● Aufgrund der Rotationskurven von Galaxien erwartet man, dass für die DM-Dichte im Randgebiet von Galaxien abfällt
● Auch innerhalb einer Galaxis sind höhere DM-Dichten innerhalb von Gravitationspotentialen (z.B. innerhalb unserer Sonne) zu erwarten
● Im frühen Universum konnten SM-Teilchen auch WIMPs erzeugen (→Thermisches Gleichgewicht)
● Mit sinkender Temperatur sinkt die Annihilationsrate
● Ab einem bestimmten Zeitpunkt gilt:
Expansionsrate>Annihilationsrate
➔ WIMP-Dichte bleibt in etwa konstant
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Unterschiede zum direkten Nachweis
● Nachweis über Streuprozesse der
eigentlichen gesuchten Teilchen
● Nachweis über die bei der Annihilation zweier WIMPs entstehenden Produkte
Direkter Nachweis Indirekter Nachweis
Annihilation von Neutralinos
Zwei Neutralinos können sich über eine Vielzahl von verschiedenen Feynmanngraphen vernichten; folgende Prozesse am wichtigsten:
Annihilation von Neutralinos
● Neutrinos
● Photonen (Gammastrahlung)
● Geladenen Teilchen
Die Endzustände der gezeigten Prozesse zerfallen solange bis nur noch stabile Teilchen übrig sind; der indirekte Nachweis von DM
erfolgt daher über den Nachweis von:
Experimente zum Nachweis von DM
● Indirekter Nachweis durch Neutrinos (ANTARES, IceCube, SuperKamiokande)
● Indirekter Nachweis durch Gammastrahlung (LAT,EGRET)
● Indirekter Nachweis durch Kosmische Strahlung (PAMELA, AMS)
Nachweis von DM durch Neutrinos
● WIMPs sammeln sich aufgrund der gravitativen
Wechselwirkung im Zentrum der Sonne und der Erde an
➔ Die WIMP-Dichte steigt dort an und damit steigt auch der Wirkungsquerschnitt für die Annihilation
● Die bei diesen Prozessen entstehenden Neutrinos können mithilfe von Neutrinoteleskopen detektiert werden können
ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and
enviromental RESearch)
● Befindet sich 30 km vor der Küste von Toulon (Südfrankreich)
● Vollständig fertiggestellt seit Mai 2008
● Detektorfläche beträgt 0,1km²
● 12 Kabel mit jeweils 75 Photomultipliern; insgesamt 900
Tscherenkov-Strahlung
● Entsteht, wenn geladene Teilchen in einem Medium schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium (c(Wasser)≈225000km/s)
● Strahlung der induzierten Dipole interferiert konstruktiv
➔ Entstehung einer Wellenfront mit Winkel θ zur Bahn des Teilchens
Messprinzip von ANTARES
● Lage unter der Meeresoberfläche blockiert einen Großteil der kosmischen Strahlung
● μ-Neutrinos wechselwirken mit dem Wasser des Mittelmeers
➔ Erzeugung von hochenergetischen Myonen
➔ Messung der Tscherenkov-Strahlung, die von den hochrelativistischen Teilchen im Wasser erzeugt wird
Diskriminierung atmosphärischer Myonen
● Die große Wasserschicht über dem Detektor erleichtert die Unterscheidung
Nachweis von DM durch Gammastrahlung
● Gammastrahlung entsteht vor allem durch den Zerfall der durch die Annihilation der Neutralinos entstandenen Pionen
● Die Einfallsrichtung der Gammastrahlung lässt sich ohne Schwierigkeiten bestimmen
● Gammastrahlung aus dem Zentrum der Milchstraße ist ein vielversprechender Hinweis auf Neutralinoannihilation
Fermi Gamma-ray Space Telescope
● Wurde am 11. Juni 2008 gestartet
● Führt Messungen im Bereich von 10keV-300GeV durch
● An Bord befinden sich LAT(Large Area Telescope) und GBM (Gamma-ray Burst Monitor)
Funktionsweise des LAT
● Gammas durchqueren das Antikoinzendezschild
● Gammas erzeugen in der
Wolframfolie Elektron-Positron-Paare
● Die Detektoren zeichnen die Bahn das Paares auf
● Im Kalorimeter wird die Energie des Paares gemessen
● Wird ein Signal am
Antikoinzidenzschild registriert, so wird die Messung verworfen
Möglicher Hinweis auf DM
● Im August 2012: Veröffentlichung eines Papers von Christoph Weniger (Kein Mitglied der Fermigruppe)
● Die Analyse ergab eine Gammalinie mit E≈130GeV und einer Signifikanz von 3.2σ
● Mittlerweile aber leider eher unwahrscheinlich, dass die Linie von einer DM-Annihilation herrührt
PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei
Astrophysics)
● Befestigt am russischen Erdbeobachtungssatelliten Resurs- DK1
● Gestartet im Juni 2006
● Versucht DM-Annihilationen durch die Messung von Antiprotonen-und Positronenflüsse nachzuweisen
● Energiebereich für Positronenflüsse: 80 MeV-190 GeV
● Energiebereich für Antiprotonenflüsse: 50 Mev-270 GeV
Messprinzip von PAMELA
1. Ein magnetisches
Spektrometer misst das Verhältnis p/q sowie das Vorzeichen der Ladung 2. Ein elektromagnetisches
Kalorimeter sorgt für die Unterscheidung von
Elektronen und Antiprotonen bzw. Protonen und
Positronen
Möglicher Hinweis auf DM
● 2008: Veröffentlichung von Daten, die eine Positronenüberschuss aufweisen
● Es wurde jedoch kein Antiprotonenüberschuss festgestellt
● Der fehlende Abfall des gemessenen Postitronenüberschuss bei höheren Energien macht DM-Annihilation als Ursache wieder unwahrscheinlicher
