VL 13: Dunkle Materie, was ist das?

We don’t know it, because we don’t see it!

VL 13: Dunkle Materie, was ist das?

WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov, EGRET excess of diffuse Galactic Gamma Rays as

Gravitationslinsen Rotationskurven

Indirekter Nachweis der DM

( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Direkter Nachweis der DM

( Elastische Streuung an Kernen)

Nachweismethoden der DM

Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich

beim Durchgang durch

ein Gravitationsfeld

Gravitationslinsen

Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

http://www.sciam.com/

August 22, 2006

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!

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!

Do we have Dark Matter in our Galaxy?

Rotationcurve Solarsystem

rotation curve Milky Way

1/r

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)

• 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

If it is not dark It does not matter

What is known about Dark Matter?

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)

• 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

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).

†

†

?

?

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetrie

Symmetrie zwischen Fermionen  Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

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.

DM Annihilation in Supersymmetrie

Dominant

 +   A  b bbar quark pair B-Fragmentation bekannt!

Daher Spektren der Positronen, Gammas und Antiprotonen bekannt!



















 f

f

f

f

f

f

Z

Z W

W

^ ⁰

f~

A Z

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 10⁴⁰ x B-Fabrik

≈37 gammas

Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

Egret: WIMP 50-100 GeV WMAP: <σv>=2.10^-26 cm³/s



















 f

f

f

f

f

f

Z

Z W

W

^ ⁰

f~

A Z

Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV)

• Was wissen wir über Dunkle Materie?

massive Teilchen

23% der Energie des Universums

schwache Wechselwirkung mit Materie Annihilation mit <σv>=2.10^-26 cm³/s

• Annihilation in Quarkpaare ->

Überschuss in galaktischen Gammastrahlen Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit)

• WIMP Masse 50-100 GeV aus Spektrum

• Verteilung der Dunklen Materie

• Data konsistent mit Supersymmetrie

Dunkle Materie, was ist das?

From CMB + SN1a

Probleme die durch DM Annihilation gelöst werden

Big Bang

Spektren der Gamma- strahlung für Untergrund und DMA

Teilchenphysik Kosmologie

Astroteilchenphysik

23%DM, Hubble Annihilation

Strukturformation Kosmische Strahlung (Gammastrahlen)

Astronomie

Rotationskurve

Ringförmiger Struktur von Sternen bei 14 kpc Ringförmiger Struktur von Wasserstoff bei 4 kpc

Woher erwartet man Untergrund?

Quarks fromWIMPS

Quarks in protons

Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X ->  + X inverse Compton scattering (e-+  -> e- + )

Bremsstrahlung (e- + N -> e- +  + N)

Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten

Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen

A: inner Galaxy (l=±30⁰, |b|<5⁰)

B: Galactic plane avoiding A D: low latitude (10-20⁰⁾

E: intermediate lat. (20-60⁰)

A: inner Galaxy B: outer disc C: outer Galaxy

D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles

Total ² for all regions :28/36  Prob.= 0.8 Excess above background > 10σ.

Fits für 180 statt 6 Regionen

180 regions:

8⁰ in longitude  45 bins

4 bins in latitude  0⁰<|b|<5⁰ 5⁰<|b|<10⁰

10⁰<|b|<20⁰ 20⁰<|b|<90⁰  4x45=180 bins

bulge

disk sun

x y z

2002,Newberg et al. Ibata et al, Crane et al. Yanny et al.

1/r² profile and rings determined from inde-

xy

xz

Expected Profile

v

 M/r=cons.

 (M/r)/r and

 1/r

for const.

rotation curve

Divergent for NFW r=0?  1/r

Isotherm const.

Verteilung der DM

Observed Profile

xy

xz

Outer Ring Inner Ring

bulge

totalDM

1/r² halo disk

Rotation Curve

Honma & Sofue (97)

Schneider &Terzian (83) Brand & Blitz(93)

Rotationskurve der Milchstrasse

Wie sehen Rotationskurven anderer Galaxien aus?

Sofue & Honma

Woher kommen die Ringe der DM?

Einfall einer Zwerggalaxie in Gravitationspotential einer Galaxie:

elliptischer Bahn präzessiert!

Gezeitenkräfte  Gradient der Gravitationskraft  1/r³ ! Daher wird Zwerggalaxie seine Materie zum größten Teil am Perizentrum verlieren -> ringförmige Strukturen von Gas, Sternen und Dunkler Materie.

Apocenter

Pericenter

Dies wurde tatsächlich beobachtet bei 14 kpc:

1)Wasserstoffring längst bekannt 2) Ring alter, kaum sichtbarer Sterne entdeckt mit Sloan Digital Sky Survey in 2003 (10⁹ M!)

3) Verstärkte Gamma Strahlung bei 14 kpc schon in 1997,

Dass dies Spektrum der DMA entspricht, erst jetzt!

The local group of galaxies

The Milky Way and its 13 satellite galaxies

Canis Major

Tidal force  ΔF_G  1/r³

Tidal streams of dark matter from CM and Sgt

CM

Sgt Sun

From David Law, Caltech

Artistic view of Canis Major Dwarf just below Galactic disc

Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations to fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc

Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata

http://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html

Tidal disruption of Sagittarius

Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University ) http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/

Sagittarius dwarf observed by Hubble Space Telescope

(NASA )

N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy

prograde retrograde

Observed stars R=13 kpc,φ=-20⁰,ε=0.8

Canis Major (b=-15⁰)

Conclusion

Comparing gamma rays above and below Galactic disk is excellent way to search for tidal streams,

since systematic errors cancel and foreground from diffuse part of halo should be the same

Result: one finds a clear correlation between excess of diffuse gamma rays and KNOWN positions

of tidal streams of two nearest satellite galaxies

Summary: all proposed indirect searches see signal:

galactic centre galactic poles

galactic anticentre

nearest satellite galactic streams

Gas flaring in the Milky Way

no ring

with ring

P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, http://arxiv.org/abs/0704.3925

Enhancement of inner (outer) ring over 1/r² profile 6 (8).

Mass in rings 0.3 (3)% of total DM

Inner Ring coincides with ring of dust and H₂ ->

gravitational potential well!

H₂

4 kpc coincides with ring of neutral hydrogen molecules!

H+H->H₂ in presence of dust->

grav. potential well at 4-5 kpc.

 ⁰

 ⁰

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

Direct Detection of WIMPs

Spin independent  Number of nuclei²

(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_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, CAPP2003

Array von

Phasenübergangs- Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS

Sioder

GeEinkristall

reduced charge collection from surface events

=> add amorphous Ge-layer

charges recombine in electrodes

=> charges get lost

higher bandgap of amorphous surface layer repels charges improved collection

Direct DM detection in solid state crystals

Annihilation cross sections in m

-m

plane (μ > 0, A

=0)

bb t t

 WW

10^-24

EGRET WMAP

Annihilation cross sections can be calculated,if masses are known (couplings as in SM).

Assume not only gauge coupling Unification at GUT scale, but also mass unification, i.e. all

Spin 0 (spin 1/2) particles have masses m0 (m1/2).

For WMAP x-section of

<v>2.10^-26 cm³/s one needs For small LSP mass (m1/2 ≈ 175 GeV) large values of (m0 ≈ 1-2 Tev) (and large tan β ≈ 50)

mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles

EGRET?

Cross sections for Direct DM detection

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:   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

• 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.

 0 0

cos with t =152.5, T=1.00 y A  t t 

Running conditions stable at level < 1%

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

Schael, EPS2003

EGRET Überschuss kann:

1) Haloprofil bestimmen

2) damit äussere Rotationskurve erklären.

(hier gibt es kaum baryonische Materie) 3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV) 4) Statistische Signifikanz > 10 σ!

Zusammenfassung

Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->

EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!

Resultat praktisch modellunabhängig, denn nur bekannte spektrale Formen des Signals und Untergrundes benutzt, keine modellabhängige Flussberechnungen!

Modelle OHNE DM können nicht Spektren in ALLEN

Richtungen gut bestimmen und liefern keine Erklärung für

Zukunft

Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit SUPERSYMMETRIE?

LHC Experimente werden ab 2008 klären ob dies stimmt.

Antwort: Ja, wenn die Squarks and Sleptonen im Bereich 1-2 TeV liegen. Der WIMP hat dann

Eigenschaften ähnlich eines Spin ½ Photons, d.h.

Clustering of DM -> boosts annihilation rate

Clumps with M_min -> dominant contribution -> MANY clumps in given direction -> same

Annihilation  SQUARE of DM density

Clustersize: ≈ Solarsystem?

M_min  10^-8 -10^-6 Mסּ?

Steeply falling mass spectrum.

Boost factor  <²>/<>²  20-2000