Direkter Nachweis dunkler Materie

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HAUPTSEMINAR: DER URKNALL UND SEINE TEILCHEN

Direkter Nachweis dunkler Materie

Hauptseminarvortrag von Johann Rauser 21. Juni 2013

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Gliederung

Warum dunkle Materie

Kandidaten für dunkle Materie

Direkte Nachweismethode von WIMPs Experimente

DAMA/LIBRA XENON-100 EDELWEISS-II

Zusammenfassung und Ausblick

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Warum dunkle Materie

Gravitationslinseneffekt

Einstein: Masse krümmt den Raum Stärke der Ablenkung

abhängig von der Masse

Beobachtung: Starke Ablenkung trotz

geringer Masse

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Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalxien Geschwindigkeit sollte bei

größeren Abständen abfallen Beobachtung: Konstante

Maximalgeschwindigkeit Bis zu 10-facher Anteil an Materie als sichtbar

→ Dunkle Materie

Warum DM – Kandidaten für DM – Direkte Nachweismethode von WIMPs – Experimente - Zusammenfassung

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Weitere Hinweise au Dunkle Materie Virial Theorem

Halo: Stabilität der Galaxien

Kosmische Hintergrundstrahlung Strukturbildung

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Kandidaten für Dunkle Materie

Baryonische Dunkle Materie: MACHOs

Massive Astrophysical Compact Halo Objects

Bspw. Ausgebrannte Sterne, Asteroiden, Schwarze Löcher Widerspruch zur

Primordialen Nukleosynthese

Können nur einen geringen Teil der Dunklen Materie ausmachen

Warum DM – Kandidaten für DM – Direkte Nachweismethode von WIMPs – Experimente - Zusammenfassung

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Nicht-Baryonische Dunkle Materie: Neutrinos Heiße Dunkle Materie

Tragen nicht zur

leuchtenden Materie bei Geringe Wechselwirkung Große Anzahl verfügbar Widerspruch zur Struktur- entwicklung im Universum

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Nicht-Baryonische Dunkle Materie: WIMPs Weakly Interacting Massive Particles

Unterliegen nur Gravitation und Schwacher Wechselwirkung

Elementarteilchen außerhalb des Standardmodells Elektrisch neutral und stabil

Lösung über LSP der Supersymmetrie Möglicher Kandidat ist das Neutralino

Kombination aus Photino, Zino und zwei Higgsinos

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Direkte Nachweismethode von WIMPs

Lokale Dichte in unserem Sonnensystem von Entspricht ungefähr 1 WIMP/ Kaffeetasse

Jährliche Modualtion der Streurate

Unterschiedliche Anzahl an zu be-

stimmenden Ereignissen je nach Jahreszeit

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Direkte Nachweismethode von WIMPs Nachweis über WIMP-Kernstreuung Nur elastische Streuung

Kinetische Energie zu gering für inelastische Streuung Rückstoßenergie des Kerns:

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Direkte Nachweismethode von WIMPs

Bestimmung der Rückstoßenergie des Kerns:

Messung der Wärme in Form von Phononen

Rückstoßkern erzeugt Ionen. Diese fangen Elektronen und fallen unter Aussendung von Photonen in den

Grundzustand zurück (Messung über Szintillation) Rückstoßkern schlägt bei Nachbarn Elektronen aus.

Elektron-Loch-Paare entstehen (Messung über Ionisation)

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Direkte Nachweismethode von WIMPs Beeinflussungen durch den Untergrund

Gammas & Neutronen durch Zerfälle von ²³⁸U, ²³²Th,

40K und Radon

Neutronen durch Myonen aus Kosmischer Hintergrundstrahlung

Neutronen ähneln WIMPs sehr (nur unterschiedlicher Wirkungsquerschnitt)

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Direkte Nachweismethode von WIMPs Abschirmung gegen den Untergrund Europäische Untergrundlabore:

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Experimente

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Experimente mit einem Messparameter

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Experimente mit zwei Messparametern

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Experimente: DAMA/LIBRA

Dark Matter/Large sodium Iodide Bulk for Rare processes im LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso)

Gran Sasso ist Gebirgsmassiv

(~3000m) in Süditalien LNGS: A= 17,300 m² Myonenrate:

3*10^-4/m²s

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Detektion über NaJ-Szintillation (250 kg NaJ(Tl) Kristalle) Detektion über 2 PMTs an jedem der 25 Kristalle

Abschirmung durch Kupfer (15 cm), Blei (10 cm), Paraffin, Polyethylen, Beton (1 m) und Stickstoff-Atmosphäre

Messung der jährlichen Modulation als Ziel

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Datenaufnahme von Sept. 2003 bis Sept. 2009

Jährliche Modulation der Streurate im Bereich von 2-6 keV gefunden

Sehr hohe statistische Signifikanz

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Diskussion der erhaltenen Resultate Modulation eventuell nur durch

Temperaturunterschied zwischen Sommer und Winter

Nur ein Detektorprinzip,

deswegen kann Untergrund-

spektrum nicht ausgeschlossen werden

Keine Bestätigung durch anderes Experiment Xenon100 widerlegt den gefunden Bereich

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Experimente: XENON-100

Befindet sich ebenfalls im LNGS

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Vorteile von Xenon:

Große Massenzahl (131) liefert hohe Streuraten bei niedrigen Kernrückstößen

Gute Selbstabschirmung aufgrund hoher Dichte (3 g/cm²) Xenon mit sehr hohem Reinheitsgrad erhältlich

Hauptsächlich aus zwei Isotopen (¹²⁹Xe & ¹³¹Xe) zusammengesetzt, gut für spinabhängigen

Wirkungsquerschnitt

Guter Szintillator und Ionisator

Gleichzeitiges Messen von Ionisation und Licht möglich Relativ kostengünstig: ~ 800 $/kg

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Experimente: XENON-100 Detektionsprinzip:

Messung von Licht und Ionisation mittels PMTs Diskriminierung anhand S₁/S₂

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Aufbau des Detektors:

242 PMTs zur Signalaufnahme

161 kg flüssiges Xenon (99 kg als Veto, 62 kg als Target) Abschirmung durch Blei, Kupfer, Polyethylen und Beton

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Experimente: XENON-100 Messung und Ergebnisse:

Zunächst Kalibrierung

Aktuellste Messung 225 Tage Weltbester Wirkungsquerschnitt

< 2,0*10^-45 cm² bei WIMP- Masse 55 GeV

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Experimente: EDELWEISS-II

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Experience de Detecter Les WIMPs En Site Souterrain Detektionsprinzip: Gleichzeitige Messung von Ionisation und Wärme (Kryogen-Bolometer)

Stoßmaterial benötigt eine geringe spezifische Wärme- kapazität:

Bolometer wird im mK-Bereich betrieben, um spezifische

Wärme C_V zu minimieren

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Sehr gute Diskriminierung zwischen WIMPs und Gammastrahlung durch Signalverhältnis

WIMP:

Gamma:

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Experimente: EDELWEISS-II Versuchsaufbau:

Mehrschichtige Abschirmung (Myondetektor, Blei, Kupfer)

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Messung

Durch Kalibrierung mit einer Neutronenquelle (60Co) und einer Gammaquelle (133Ba) wurde der Bereich für die WIMPs eingeschränkt

Messzeit 2009-2010 Suche ab 20 keV 10 Ge-Detektoren 5 WIMP-Kandidaten Sehr gute Gamma- Unterdrückung

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Experimente: EDELWEISS-II Ergebnisse

Bereich von DAMA/LIBRA kann durch EDELWEISS komplett ausgeschlossen werden

5 WIMP-Kandidaten

< 3 Ereignisse von Untergrundquellen

Kein statistisch signifikantes

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Zusammenfassung

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Zusammenfassung