IKP in KCETA KT2012 Johannes Blümer
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA
www.kit.edu
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA
www.kit.edu
Kern- und Teilchenphysik SS2012
Johannes Blümer
Vorlesung-Website
1
Standardmodell
...
Hinweise auf Dunkle Materie
Rotationskurven, Clusterdynamik Gravitationslinsen
(Kosmologie)
(Suche nach Annihilationssignalen) Suche nach Streuprozessen
Bolometer, Flüssiggas-Detektoren DAMA
Ausschlusskurven
Kosmische Strahlung
Beschleunigung Ausbreitung
Luftschauerphysik
die höchsten Energien
IKP in KCETA KT2012 Johannes Blümer
v24 17. Juli 2012 Dunkle Materie; kosmische Strahlung
2
Erinnerung an v23
heute
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Gravitationsbindung im Coma-Haufen?
3
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”
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 rot
r
) (
2 2
2
Kepler´sche Bahn: Rotationsgeschwindigkeit vrot
eines Sterns der Masse m um innere Zentralmasse Mr (Radius r außerhalb der galaktische Bulge, r>5kpc)
da experimentelle Beobachtung vrot(r) = const.
Problem der ´fehlenden Masse´
Dunkelmaterie-Halo
Gas dunkler Halo
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Rotations- kurven
4 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 vrot ~ R-½ ab, sondern es gilt: vrot ~ const.
vrot aus der doppler-verschobenen = 21 cm Linie (Radioemission)
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 5
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
6 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
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 7
Energie-Massenbudget
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
DM-Teilchen
8 KIT-IEKP
8 07.01.2010 G. Drexlin – VL10
Neutralino Neutrino
WIMP
WIMP-Teilchenkandidaten für CDM
log Teilchenmasse [M/1GeV]
log Wirkung squer sc hitt [
int/1pb ]
MSSM0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
-12 -6 0 6 12 18
Axino
keV GeV MGUT MPl
Gravitino
WIMP zilla
Axion
leichtes (10
-6…10
-3eV) 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
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA PAGE 2 9
The quest for Dark Matter
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
DIrekte Messmethoden
10
Evidence
WIMP Detection Experiments
IndirectDetection CandidatesEvidenceConclusion
Heat
Scintillation Ionization
NaI Xe/Ar
...
Cryo detectors
Germanium, Gas, Superheated liquids Liquid Xe/Ar
CaWO
4BGO
... 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
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
EDELWEISS XENON
11 5 11.02.2010 G. Drexlin – VL15 KIT-IEKP
2-Phasen LXe-Experimente: Grundlagen
LXe
PMT Array in LXe
E
RT
drift5 µs / cm
E
DPMT Array
h
Elektronen
Gas h E
extAnode
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
Dgedriftet & mit einem starkem Feld E
ext(Extraktion) in die Xe-Gasphase extrahiert,
dort erzeugen sie wegen der hohen Feldstärke
durch Kollisionen proportionales Licht (S2)
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA PAGE 3 12
EDELWEISS DM detection technology
Center electrode Guard ring
7 cm
m=320g
! !
G
70 mm NTD guard
2008 data
@ LSM
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA PAGE 4 13
shielding concept
!
n
n
𝟀
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
DM-Signatur in EDELWEISS
14
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
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Das DAMA-”Signal”
15
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
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Grenzen für Spin-unabhängige WW
16
XENON10LE
XENON100 CDMS CDMS
DAMA(no channeling)
DAMA(no channeling)
CDMS+EDELWEISS CoGeNT
EDELWEISS
SUSY 68%, 95%
SUSY 68%, 95%,
+ LEP-CMSSM constraints
Cross-section [cm
2] (normalised to nucleon)
10 10 10
10 100 1000
WIMP Mass [GeV/c
2]
−40
−42
−44
Figure 1: Cross sections (normalized to nucleon assuming A2 dependence, see section 1.2.4) for spin independent coupling versus mass diagrams. Please refer to the text to get the references of corresponding publications of experimental results. The big dots on some curves show the
“WIMP safe” minimal mass for the corresponding experimental result (see details in text).
DAMA candidates region (no channeling) are from [50], shaded 68 and 95 % regions are SUSY predictions by [51], together with recent constraints (light gray 68 and 95 % contours) placed by LHC experiments, both on the CMSSM [52]. Here equal cross sections for scattering off protons and neutrons have been assumed.
WIMPs for masses above 20 GeV, superseding an earlier KIMS result. PICASSO [30], a super- heated droplet detector run at SNOLAB, obtained a better limit below 20 GeV on the same type of WIMPs [47]. Finally, SIMPLE [30], a similar experiment run at Laboratoire Souterrain de Rustrel, submitted results for publication that claim to provide the currently best limit on
13
M. Drees, arXiv:1204.2373v1
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Grenzen für Spin-abhängige WW
17
XENON 10 ZeplinIII
DAMA
(no channeling)
(a) Interactions on neutron
10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5
WIMP Mass [GeV/c2] WIMP Mass [GeV/c2]
10 100 1000 10 100 1000
COUPP _
Picasso
SuperK
IceCube (→W+W−)
IceCube (→bb) DAMA
(no channeling)
(b) Interactions on proton
Figure 2: Cross sections for spin dependent coupling versus mass diagrams. Please refer to the text to get the references of corresponding publications of experimental results. DAMA candi- dates region (no channeling) are from [50] Left: interactions on neutron. Right: interactions on proton.
the spin-dependent WIMP-proton cross section for all WIMP masses [48].
Figures 1 and 2 illustrate the above results on limits on and positive claims of cross sections, normalized to nucleon, for spin independent and spin dependent couplings, respectively, as functions of WIMP mass, where only the two currently best limits are presented. Also shown are constraints from indirect observations (see the next section) and typical regions of SUSY models, before and after recent LHC results. These figures have been made with the dmtools web page [53].
Sensitivities down to σχp of 10−10 pb, as needed to probe large regions of MSSM param- eter space [27], will be reached with detectors of typical masses of 1 ton, assuming nearly perfect background discrimination capabilities. Note that the expected WIMP rate is then 5 evts/ton/year for Ge. The ultimate neutron background will only be identified by its multiple interactions in a finely segmented or multiple-interaction-sensitive detector, and/or by operat- ing detectors containing different target materials within the same set-up. Larger mass projects are envisaged by the DARWIN European consortium and the MAX project in the US (liquid Xe and Ar multiton project) [30].
2.6 Status and prospects of indirect WIMP searches
WIMPs can annihilate and their annihilation products can be detected; these include neutrinos, gamma rays, positrons, antiprotons, and antinuclei [1]. These methods are complementary to direct detection and might be able to explore higher masses and different coupling scenarios.
14
M. Drees, arXiv:1204.2373v1
