Ionisation/Recoil Ratio

Vorlesung 14:

Roter Faden:

1. Direkter Nachweis der DM 2. Grand Unified Theories

3. CMS

4. AMS

χ ⁰

χ ⁰

WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoils Measure recoil energy spectrum in target

Direct Detection of WIMPs

Spin independent ∝ Number of nuclei ²

(coherent scattering on all nuclei!)

Spin dependent

Spin dependent and indep.

Direct Dark Matter Detection

CRESST ROSEBUD CUORICINO

DAMAZEPLIN I UKDM NaI LIBRA

CRESST II ROSEBUD CDMSEDELWEISS

XENON

ZEPLIN II,III,IV HDMSGENIUS

IGEXMAJORANA DRIFT (TPC)

E

Phonons

Ionization Scintillation

Large spread of technologies:

varies the systematic errors, important if positive signal!

All techniques have equally aggressive projections for future performance But different methods for improving sensitivity

L. Baudis, CAPP2003

Array von Phasenübergangs-

Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Si oder Ge

Einkristall

reduced charge collection from surface events

=> add amorphous Ge-layer

charges recombine in electrodes

=> charges get lost

0 0.5 1 1.5

0 50 100 150 200

Ionisation/Recoil Ratio

Recoil Energy (keV)

γ band

nuclear recoil band GGA1 ⁶⁰Co Calibration 2002 PRELIMINARY

EDELWEISS

higher bandgap of amorphous

surface layer repels charges

improved collection

Direct DM detection in solid state crystals

Annual Modulation as unique signature

95 97 99 101 103 105

-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

±2%

0 25 50 75 100 125

-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5

Background WIMP Signal

Annual modulation: σ ∝ v, so signal in June larger than

in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).

June v

galactic center

Sun 230 km/s Dec.

L. Baudis, CAPP2003

• DAMA NaI-1 to 4: 58k kg.day

• DAMA NaI-5 to 7: 50k kg.day

• Full substitution of electronics and DAQ in 2000

The data favor the presence of a modulated signal with the

proper features at the 6.3 σ C.L.

(

)

cos with t =152.5, T=1.00 y A⋅ ⎡⎣ω t−t ⎤⎦

Running conditions stable at level < 1%

DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73

Schael, EPS2003

Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

•

Woher kommt die Masse ?

Durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld???

THE “CELEBRITY AT PARTY” MODEL (quarks or leptons)

THE “rumour” model (Higgs particle) Particle Mass determined by strength of

interaction with higgs field

SUCHE nach dem

Higgs Boson wichtige

Aufgabe für LHC

LEP,CDF D0 Data Indicate Light Higgs

Daten empfindlich für

Higgsmasse durch

Schleifendiagramme

mit Higgs Teilchen

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetry

Symmetrie zwischen Fermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

Gauge Coupling Unification in SUSY

Running of Strong Coupling Constant

mSUGRA Modell

Modell berücksichtigt:

Vereinheitlichung der Eichkopplungen Vereinheitlichung der SM Massen Vereinheitlichung der SUSY Massen

5 freie Parameter:

m0:Massen der Spin 0 Teilchen bei der GUT Skale m1/2: Massen der Spin ½ Teilchen bei der GUT Skale

tan β= v2/v1 = Verhältnis der Higgs Vakuumerwartungswerte der Higgs Dubletts

A: trilineare Kopplung im Higgs Potential (nicht sehr wichtig) μ: Higgs Mischungsparameter (bestimmt durch elektroschwache

Symmetriebrechung (Vorzeichen jedoch unbekannt)

DM Annihilation in Supersymmetrie

Dominant

χ + χ ⇒ A ⇒ b bbar Quark Pair B-Fragmentation bekannt!

Daher Spektren der Positronen, Gammas und Antiprotonen bekannt!

χ χ

χ χ

χ χ χ

χ

χ χ f

f

f

f

f

f

Z

Z W

W

χ

χ

~ f

A Z

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 10

x B-Fabrik

gammas ≈37

Erwartetes SUSY particle spectrum

Charginos, neutralinos

and gluinos light

EGRET?

Cross sections for Direct DM detection

Without R-parity fast Proton decay!

χ χ

q q

Z,h,A

χ q

q χ

∼ q

Proton decay expected in GUT’s

Proton decay

R-Parity

Only possible interactions of Lightest Supersymmetric Particle (LSP) with matter: elastic scattering or production of squarks or sleptons, since at each

Without R-parity fast Proton decay!

χ χ

q q

Z,h,A

χ q

q ∼ q χ

possible evolution of the universe

Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one.

Hence many models to explain Baryon Asym.

Some production diagrams

• Neutralino χ das leichteste supersymmetrische Teilchen d.h. entsteht am Ende der Zerfallskette und entweicht aus dem Detektor da es

nicht mit normaler Materie wechselwirkt

• Diese fehlende Transversale Energie die nicht von den Kalorimetern erfasst wird kann zum Nachweis dienen

Mögliches SUSY Ereignis und Nachweis

Main SUSY signature: missing energy

Die zwei Hauptkriterien die der CMS Detektor erfüllen muss um Higgs-Bosonen und Supersymmetrische

Teilchen nachweisen zu können sind:

1. Hermetizität (um fehlende Energie zu bemerken) 2. Identifizierung von Sekundärvertizes (wichtig falls

Higgs Teilchen eine Masse von unter 160 GeV hat)

Anforderungen an den Detektor

Prinzip eines Teilchendetektors

e

e

Spurdetektor

Magnetspule

Hadronkalorimeter Elektronkalorimeter

Myonkammern

Photon Elektron Quark Jet

Myon (hohe Energie) (mittlere Ene.) (kleine Energie)

Prinzip eines Teilchendetektors

Transverse slice through CMS detector

Click on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit

Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor

CMS Collaboration

Pixel endcap disks

214m

of silicon sensors 11.4 million silicon strips

65.9 million pixels in final configuration!

The Tracker

• Prinzip: In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden

• Durchgehendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare

• Trennung im elektrischen Feld

• Die resultierende Spannungsänderung wird verstärkt und detektiert

Halbleiterdetektoren

• homogenes Kalorimeter bestehend aus 61000 PbWO

Kristallen (kurze Strahlungslänge X

<1cm und hohe Strahlenhärte)

• WW mit den Kristallen über Bremsstrahlung, Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung

• Abwechselnd Paarbildung und Bremsstrahlung => Ausbildung elektromagnetischer Schauer

• Die Energie des Primärteilchens ist proportional zur Intensität des Fluoreszenzlichts

Elektromagnetisches Kalorimeter

Koordinaten: x,y,z bzw. davon ausgehend r, θ und φ

Für einen Detektor geschickter: Pseudorapidität η statt θ.

Man definiert sie als:

Δη invariant unter Lorentztransformationen (Δθ nicht)

• Sampling- (Inhomogenes) Kalorimeter:

Schauermedium: Kupfer bzw. Stahl

Nachweismedium: Plastikszintillator bzw. Quarzfasern

• Schauerbildung komplizierter als im elektromagnetischen Schauer da verschiedene Mesonen entstehen können

• π

Zerfall in zwei γ erzeugt elektromagnetische Subschauer

• Intensität des Schauers nimmt wie ab

• λ

ist die hadronische Wechselwirkungslänge

• Durch Forward Kalorimeter Abdeckung bis |η|<5

Hadronisches Kalorimeter

• Myonendetektor:

Driftkammern gefüllt mit Ar-Co

Gasgemisch

• Beim Durchgang eines Myons ionisiert dieses das Gas

• Freigesetzte e

driften zur Anode

• Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit berechnen da Beschleunigung erst nah beim Draht

=>

Der Myonen Detektor

Search for the ‘Higgs’ field

• Higgs field particle “decays” into

lepton (or quark) pairs according to their mass

Only 1 higgs in

1,000,000,000,000 events

Puzzle

View along beam line

of the inner tracking,

with a HÆ 4μ event

superimposed. The μ

are very high energy,

so leave straight tracks

originating from the

centre and travelling

to the outside

Puzzle solution

Make a “cut” on the

Transverse momentum

Of the tracks: p

>2 GeV

Datenraten

Model of AMS-02 on ISS

AMS-02

Model of AMS-02 on ISS

AMS-02 Particle Identification

Expected rates in AMS-02

Charge measurements

B

Ne

P

Ca

Fe ToF, Tracker, RICH performance verified

at heavy ion test beam (CERN,GSI)

• During launch acceleration up to 9 g

• The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!)

• Temperature variations between –180 - +50 degree Celsius

• Maximum degasing on ISS: < 1 10

g/s/cm

• Maximum weight 14708 lbs Cost: 10000 $/lbs

• Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V

• Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS

• Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of weight). Cooling without gravity?

Experimental constraints for experiments on the ISS

Karlsruhe

AMS-02 Collaboration

AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte ⇒ mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie

Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie

Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:

(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHC Indirekter Nachweis der Annihilation der DM

(mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)

Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung

(mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)

1. „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der

Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde. Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t =

380.000 yr (Rekombination) mit T ≈ 3.000 K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt.

Allerdings dauerte es dann ≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten.

A: korrekt

2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-

Messungen) mν < 0.23 eV. Da νe die geringste der Neutrinomassen besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der νe bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der WMAP-Daten

korrekt ist, wäre damit KATRIN überflüssig, oder?

A: eine unabhängige Bestätigung dass die Neutrinomassen tatsächlich so klein sind, ist immer gut.

Fragen

3. Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMB-

Polarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?

A: Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch eine

Polarization entsteht.

4. Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis auf wenige 10^-10 durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren

Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber warum ist die Asymmetrie identisch?)

A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder

vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachtsten GUT's vorhergesagt).

Fragen

Fragen

5. Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch

wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m ≈ 10 μg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls entstanden (Umwandlung

„falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen sein, d.h. bereits zur Zeit der

Quantenfluktuationen dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind heute in der CMB nachweisbar.

Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem

Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab. Aber dann:

Woher kommt diese Masse?

A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung entstand, z.B. die Brechung der einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten. Gleichzeitig jedoch durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die frewerdende Energie in Masse umwandeln.

Na ja, wie sagt Weinberg in seinem Buechlein “Die ersten drei Minuten“: Oft muss man seine eigene Zweifel vergessen und die Annahmen weiterverfolgen, gleichgültig, wohin sie auch führen mögen – es kommt nicht darauf an, von theoretischen Vorurteilen frei zu sein,

Fragen

6. Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der

extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere (verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation

lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht geben kann.)

A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei

Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher praktisch schwierig.

7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der Photonen aus der LSS skaliert mit 1/S (λ∝S) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen, müsste deren

gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dannkinetische Energie verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem Raum übertragen

(Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen der

Neutrinoenergie eine „Frequenz“ zuordnen, die S abnimmt?

A: relativistische Materie geht mit 1/S⁴, nicht relativistische mit 1/S³. Daher werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S⁴ skalieren /wie Photonen) und bei

Größe und Dichte eines SL.

Radius eines SL:

R = 2GM/c

, d.h.

wächst mit Masse!

Masse unseres

Universums, die kritische Dichte von 10

g/cm

(10

M

) entspricht, liegt auf diese Linie, d.h. es ist nicht

ausgeschlossen, dass wir in einem SL leben.

J. Luminet

Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)

Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?

Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert.

Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums null und Vakuumenergie könnte zur Inflation führen

Schwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitation noch nicht existiert.

Wie entstand Leben?

1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dass

Leben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies unmöglich ist.

Wurdeakzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohle gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlich

später entstanden durch Alchen im Ozean, wo sie für UV Licht geschützt waren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalb der Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in so

einer Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DANN entstehen können und damit dass die Bausteine

Des Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.

Typische Prüfungsfragen

Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie?

Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ? Wie lauten Friedmansche Gleichungen?

Woraus besteht die Energie des Universums?

Wie weiss man das?

Wie unterscheidet sich Dark Energie von Dark Matter?

Wie kann man DM nachweisen?

Warum akustische Peaks in der CMB?

Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?

AUSBLICK

Hoffnung:

•Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen, woher Ihre Masse kommt

•Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt

•Wir verstehen 27% der Energie des Universums statt bisher 4%

IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei!

(Higgsgruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe)