Nachweismethoden der DM

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Gravitationslinsen Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM

( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM

( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Nachweismethoden der DM

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Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich

beim Durchgang durch

ein Gravitationsfeld

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Gravitationslinsen

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Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

Observations with bullet cluster:

•Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas

•Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter from weak gravitational lensing

•Distributions are clearly different after collision->

dark matter is weakly interacting!

Rot:sichtbares Gas

Blau: dunkle Materie aus Gravitations- potential

dunkel

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Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006

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Center of the Coma Cluster by

Hubble space telescope ©Dubinski

Discovery of DM in 1933 Zwicky, Fritz (1898-1974

Zwicky notes in 1933 that

outlying galaxies in Coma cluster moving much faster than mass calculated for the visible

galaxies would indicate

DM attracts galaxies with more force->

higher speed.

But still bound!

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Dunkle Materie im Universum

Die Rotationskurven von

Spiralgalaxien sind weitgehend flach, während die leuchtende Materie eine abfallende Kurve erwarten lässt. Erklärung: dunkle Materie.

Spiralgalaxien bestehen aus einem zentralen Klumpen und einer sehr dünnen Scheibe

leuchtender Materie, welche von einem nahezu sphährischen,

sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.

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Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz v=ωr

v1/r

mv

/r=GmM/r

Milchstraße

Cygnus Perseus

OrionSagittarius

Scutum Crux

Norma

Sun (8 kpc from center)

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Do we have Dark Matter in our Galaxy?

Rotationcurve Solarsystem

rotation curve Milky Way

1/r

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Estimate of DM density

DM density falls off like 1/r

for v=const.

Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”

(for 100 GeV WIMP)

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• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt

• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren

Für N groß: und

0 2 E

 E



2 0 ) 1

( ²

2   

r N m

G N v

m N





Erwarte also für ´Gas` gravitativ wechselwirkender Teilchen M  r !

Aber dann v

M/r = konst -> flat rot. curve

Virialsatz

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Kandidaten der DM

Problem: max. 4% der Gesamtenergie

des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.

Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen Kandidaten möglich. Rest der DM muss aus nicht-baryonischen Materie bestehen.

Probleme:

_ν < 0.7% aus WMAP Daten

kombiniert mit Dichtekorrelationen der Galaxien.

•Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft.

•Abweichungen von Newtons

Gravitationsgesetz nicht plausibel.

•WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.

In Supersymmetrie sind die WIMPS Supersymmetrische Partner der CMB d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).

†

†

?

?

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• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic

23% in the form of Cold Dark Matter

• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo->

DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s

• Annihilation with <σv>=2.10^-26 cm³/s, if thermal relic

From CMB + SN1a + surveys

DM halo profile of galaxy cluster from weak lensing

If it is not dark It does not matter

What is known about Dark Matter?

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Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance Actual abundance

T=M/22

Comoving number density

x=m/T

Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

WMAP -> h²=0.1130.009 ->

<v>=2.10^-26 cm³/s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:

1 WIMP/Kaffeetasse 10⁵ <ρ>.

DMA (ρ²) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f T<M: M+M->f+f

T=M/22: M decoupled, stable density

(wenn Annihilationrate ^ Expansions- rate, i.e. =<v>n(x_fr)  H(x_fr) !)

Annihilation in leichtere Teilchen, wie

Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.

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Indirect Dark Matter Searches

Annihilation products from dark matter annihilation:

Gamma rays

(EGRET, FERMI)

Positrons

Antiprotons

e+ + e-

(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos

e-, p drown in cosmic rays?

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Neutralino Annihilation channels

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Neutralino-Quark elastische Streuung

Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Masse koppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.

Sehr empfindlich für s-Quark Anteil im Nukleon.

Squark Austausch sehr klein, wenn Squark schwer

Z-Austausch klein, wenn Neutralino hauptsächlich Bino ist (Bino koppelt nur an elektrische Ladung)

Zusätzlich geringer Impulsübertrag bei Streuung (weit

von Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung Spin independent Spin dependent

Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)

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Direkter Nachweis von WIMPs

Wir gehen davon aus, dass

DM Neutralino oder WIMP ist.

Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse (oder E²=p²+m²m², da p=mv mit

v  10^-3 c und m  100 GeV

Geschwindigkeitsverteilung der WIMPs in einem Gravitationsfeld folgt wie

bei Gas in der Atmosphäre

Maxwell-Boltzmann-Verteilung  e^-Ekin/kT mit häufigster Wert v=270 km/h

χ χ

Science Voisinage réseau.ico

E_R ~ E_kin (1 - cos) Neutralino kann wegen R-Paritätserhaltung

NUR elastische Streuung an Kernen durchführen

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p größer als Kernradius, so es kann einzelne Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs- querschnitt  A² (A= Anzahl der Nukleonen)

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Principles of WIMP detection

• Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector

• The recoil energy of a nucleus with mass

For

• This recoil can be detected in some ways :

 Electric charges released (ionization detector)

 Flashes of light produced (scintillation detector)

 Vibrations produced (phonon detector)

m

10

v



c

2 2

(max) 2

( )

recoil x N

N

E v m m

m m





 

10

10

recoil N

E 

m  keV

 

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Direkter Nachweis von WIMPs

Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt  an einem Kern kompliziert:

Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant, aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielen Dann wird  abhängig vom Spin S der Kerne im Detektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz der Nukleonen mit Spin up und Spin down.

Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls- übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüber Kernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1

Impulstransfer q = A ·10^-3GeV Kernradius R~ 1.14 fm · A^⅓ R ~ 7 GeV^-1· A^⅓

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Direkter Nachweis von WIMPs

Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50, d.h. perfekt für Neutralinomassen von ca. 50 GeV, denn bei gleicher Kern und WIMP Masse wird q max, weil dann reduzierte Masse = M· M_N /(M_N + M) maximal wird.

Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte der Massenverteilung)

Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenz der Streuung  A² gering und spinabh. Streuung wird wichtig

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Neutralino-Quark elastic scattering

scalar interaction

5 5

( ) ( ) ( ) ( ) ....

q q

L  f   qq  d   

 q  

q 

spin-dep. interaction

• The other terms are velocity-dependent contributions and can be neglected in the non-relativistic limit for the direct detection.

• The axial vector currents are proportional to spin operators in the non-relativistic limit.

Effective Lagrangian

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Direkter Nachweis von WIMPs

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Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

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Detection challenges

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Background Rejection

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Shielding

Underground +

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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_R 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

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WIMP Searches Worldwide

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Diskutiere nur 4 Beispiele:

Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:

Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator) XENON (Flüssigkeit:

Ionisation und Szintillation)

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Der Edelweiss Detektor

Messprinzip eines Halbleiter-Bolometers. Kommt es zu einem

elastischen Stoß eines WIMP-Teilchens mit einem Atomkern des Germanium-Kristalls führt der Kern-Rückstoß zu einer

Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird.

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Array von

Phasenübergangs- Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Sioder

GeEinkristall

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 ³³ Rückstoß-Energie(keV)

Elektron-Rückstöße

Kern-Rückstöße

Ionisations-Energieschwelle

0 0.5

1 1.5

0 50 100 150 200

Kalibration mit ²⁵²Cf

Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer

252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei

Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert

werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve) entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder

beschreiben die Bereiche, in denen 90% der Elektron- bzw.

Kern-Rückstöße liegen.

Kalibration

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Edelweiss Experiment

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CDMS detectors

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Ionization measurement in CDMS

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SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur Messung von minimalen Änderungen der magnetischen

Feldstärke (bis 10^-14T !)

Phonon measurement in CDMS

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CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)

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Fiducial Volume removes edges

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-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

-hohe Dichte gute Selbstabschirmung kompakte

Detektoren XENON

-hohe Massenzahl

-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften -Betriebstemperatur

„leicht“ zu halten (180 K)

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Noble liquids

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Ionization and Scintillation in Xe

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Double Phase Detector Concept

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The XENON10 Experiment (10 kg)

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Cross section limits

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Annual Modulation as unique signature?

June June

Dec Dec

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

June June Dec

Annual modulation:   v, so signal in June larger than

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

June

v₀ galactic center

Sun 230 km/s Dec.

L. Baudis, CAPP2003

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Daten bis 2008 Daten bis 2008

Modulation nur in 2-6 keV

Region -> leichte WIMPs

(Signal sehr nah an der

Schwelle des Detektors!!)

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a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache Rotationskurven und Gravitationslinsen

b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einem Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch höhere Emfindlichkeit.

c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten)

Zusammenfassung