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 in Galaxien

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 sphärischen, 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

Orion Sagittarius

Scutum Crux

Norma

Sun (8 kpc from center)

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Gibt es dunkle Materie in der Milchstraße?

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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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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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

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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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 = mv = A ·10^-3GeV Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓

R ~ 7 GeV^-1· A⅓

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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  Z² oder (A-Z⁾² 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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Streurate von WIMPs

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Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

=5,3 g/cm³ A=73

=2,9 g/cm³ A=28

=5,9 g/cm³ A=131



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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

DAMA ZEPLIN I UKDM NaI LIBRA

CRESST II ROSEBUD CDMS

EDELWEISS

XENON

ZEPLIN II,III,IV HDMS

GENIUS IGEX

MAJORANA 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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Wärmesignal Wärmesignal

Ladungssignal Ladungssignal Thermometer

Thermometer

Elektroden

Elektroden zur zur

Ladungssammlung Ladungssammlung

Ge Ge Kristall Kristall

bei bei T= 0,017 K T= 0,017 K

WIMP WIMP

Ge-Kern

Wärmesignal Wärmesignal

Ladungssignal Ladungssignal Thermometer

Thermometer

Elektroden

Elektroden zur zur

Ladungssammlung Ladungssammlung

Ge Ge Kristall Kristall

bei bei T= 0,017 K T= 0,017 K

WIMP WIMP

Ge-Kern

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, aber viel Rekomb., daher bei Neutronenstreuung weniger Ladung als bei Comptonstr.

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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

1 per Definition

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Quench-Faktor

Verhältnis von Ionisation/Rückstoßenergie ist per Definition 1 für Elektronen und Gammas

Für Neutronen (und WIMPS) ist dieses Verhältnis kleiner als 1 („quenched“).

Grund: Neutronen haben nur starke Wechselwirkung und stoßen nur mit dem Kern, nicht den Elektronen.

Der Rückstoß des Kerns oder seine Fragmente

erzeugen eine sehr hohe Dichte an Ionisation, die

zu einer starken Rekombination von Elektronen und

Löcher und daher weniger Ionisation führt.

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Edelweiss Experiment

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CDMS (C ^old DM S ^earch ) 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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The XENON100 Experiment (100 kg) Großer Vorteil:

100 kg erlaubt

äußere Lage als aktives Veto zu benutzen:

Gammas der passiven Abschirmung werden

durch Xenon absorbiert

und Neutronen werden

durch Vielfachstreuung

erkannt

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Aktives Abschirmung

„Fiducial mass“ 48 kg.

Nachteil von 100 kg:

Drift der

Ionisation über langer

Abstand gibt Verluste durch Verunreinigungen:

Ionisationssignal ortsabhängig Brauche sehr hohe Reinheit!

Jetzt im Griff.

Xenon1000 in Vorbereitung

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Latest Xenon100 limits

SUSY

expectation 100 kg Xenon

erlaubt Abschirmung durch äüßere Xenon Schicht

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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

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 Empfindlichkeit.

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

Zusammenfassung