Der Urknall und seine Der Urknall und seine Teilchen Teilchen

(1)

Der Urknall und seine Der Urknall und seine

Teilchen Teilchen

Indirekter Nachweis dunkler Materie Indirekter Nachweis dunkler Materie

über Gammastrahlung aus über Gammastrahlung aus

DM- Annihilation DM- Annihilation

EGRET EGRET

( ( E E nergetic nergetic G G amma amma R R ay ay T T elescope) elescope)

(2)

March 20, 2022

March 20, 2022 Der Urknall und seine Teilchen - EGRETDer Urknall und seine Teilchen - EGRET 22

Der Urknall und seine Teilchen Der Urknall und seine Teilchen

Astrophysik:

kosmische Gammastrahlung kosmische Gammastrahlung

Kosmologie:

23% DM, WQ der DMA 23% DM, WQ der DMA bestimmt durch Hubble- bestimmt durch Hubble-

Konstante, Bildung von Konstante, Bildung von

Galaxien Galaxien

Teilchenphysik:

Gammaspektrum für BG und Gammaspektrum für BG und

DM- Annihilation

(3)

Indirekter Nachweis von DMA aus Indirekter Nachweis von DMA aus

EGRET- Messung der diffusen galaktischen Strahlung EGRET- Messung der diffusen galaktischen Strahlung

Gemessene diffuse Gemessene diffuse

Gammastrahlung aus allen Gammastrahlung aus allen Richtungen hat das gleiche Richtungen hat das gleiche Energiespektrum

Energiespektrum

WIMP (WIMP

(W

Weakly

eakly

II

nteracting M nteracting

Mass

ass

PP

article) Masse muss aufgrund des article) Masse muss aufgrund des Energiespektrums zwischen 50- Energiespektrums zwischen 50- 100 GeV

100 GeV

Verteilung der DM aus Verteilung der DM aus Intensitätsverteilung Intensitätsverteilung (Haloverteilung)

(Haloverteilung)

EGRET- Daten stimmen mit SUSY EGRET- Daten stimmen mit SUSY überein

überein

(4)

28. Jan. 2005

28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRETDer Urknall und seine Teilchen - EGRET 44

Aufbau und Messung Aufbau und Messung

EGRET auf dem CGRO (

EGRET auf dem CGRO (Compton Compton Gamma Gamma RRay ay Observatory)- SatellitObservatory)- Satellit Typ: Funkenkammer, NaI (Ti) Kristall Typ: Funkenkammer, NaI (Ti) Kristall und Plastik- Szintillator

und Plastik- Szintillator

 Paarerzeugung ( Paarerzeugung (  e e^-^-+ e+ e⁺⁺)) Energie- Bereich

Energie- Bereich: 20MeV- 30GeV: 20MeV- 30GeV extrapoliert bis 100GeV

extrapoliert bis 100GeV

EGRET Satellit hat 9 Jahre lang (1991- EGRET Satellit hat 9 Jahre lang (1991- 2000) Photonen bis 100 GeV im Weltall 2000) Photonen bis 100 GeV im Weltall gemessen

gemessen

Überschuss an Photonen in allen Überschuss an Photonen in allen Himmelsrichtungen festgestellt Himmelsrichtungen festgestellt Himmelskarte der punktförmigen Himmelskarte der punktförmigen

Gammaquellen mit Energien größer als Gammaquellen mit Energien größer als Hintergrundstrahlung erstellt

Hintergrundstrahlung erstellt

(5)

Indirekte DM- Messung mit Gammastrahlung Indirekte DM- Messung mit Gammastrahlung

Problem: Bestimmung des Ursprungs der Gammastrahlung Problem: Bestimmung des Ursprungs der Gammastrahlung

Gammaquellen nicht lokalisierbar, da viele auf einer Linie in gleicher Gammaquellen nicht lokalisierbar, da viele auf einer Linie in gleicher

Richtung liegen, aber Richtung liegen, aber

Punktquellen haben höhere Intensität (‘hot spots‘) als Quellen Punktquellen haben höhere Intensität (‘hot spots‘) als Quellen

diffuser Gammastrahlung diffuser Gammastrahlung

Quellen:

1) 1) p + p p + p    

00

+ x + x     + +   + x + x 2) 2) e + e +    e +  e +  

3) 3) e + N e + N  e +  e +  + N  + N

4) 4) Extragalaktischer Hintergrund Extragalaktischer Hintergrund 5) 5) DMA DMA

unterscheidbar durch ihre Energiespektren und Himmelskarten unterscheidbar durch ihre Energiespektren und Himmelskarten Verschiedene Messreihen aus allen Himmelsrichtungen fitten/

Verschiedene Messreihen aus allen Himmelsrichtungen fitten/

interpolieren; statistischer Fehler dominiert in EGRET- Daten, interpolieren; statistischer Fehler dominiert in EGRET- Daten,

also mit in den Fit einbeziehen also mit in den Fit einbeziehen

Ergebnisse mit Modellen vergleichen

(6)

28. Jan. 2005

Fluß

Fluß Φ Φ

__

der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation

    

f 2

2 l

f f

dl

2 M B 1

dE b dN 4

, v E

sight of line









 



__  1 / r²:1 / r²: DM- Dichte stieg lokal an nach der Galaxienbildung DM- Dichte stieg lokal an nach der Galaxienbildung In diesem Raum:

In diesem Raum: 1 WIMP / coffee cup 1 WIMP / coffee cup 105 Durchschnittsdichte 105 Durchschnittsdichte für flache Rotationskurve:

für flache Rotationskurve:

v = sqrt (GM / r)

v = sqrt (GM / r) Messungen: ab 5 kpc konstant / wir : ~ 7kpcMessungen: ab 5 kpc konstant / wir : ~ 7kpc

 v²  v²  M / r = konst M / r = konst (1pc (1pc  3,262Lj) 3,262Lj)

   = M / V  = M / V  M / r³ = M / r * 1 / r² M / r³ = M / r * 1 / r²  1 / r² 1 / r²

vv:: Wirkungsquerschnitt WQ Wirkungsquerschnitt WQ (unabh. von m!)

vv = 2·10^-26 cm³/s

 _f: Summe über die Endzustände (Quarks + Leptonen Summe über die Endzustände (Quarks + Leptonen  f = 2) bb_f_f: : Verzweigungsverhältnis (bVerzweigungsverhältnis (b_Quarks_Quarks= 0,9= 0,9 bb_Leptonen_Leptonen= 0,1)= 0,1)

NN_f_f:: Teilchenzahl des jeweiligen EndzustandsTeilchenzahl des jeweiligen Endzustands

BB_l_l: : Boost- Faktor ~ 10- 100 (~70) in Blickrichtung lBoost- Faktor ~ 10- 100 (~70) in Blickrichtung l__

(7)

- p + p

- p + p    

0₀

+ x + x    +  +   + x + x

( (  gegeben durch Dichte des Gases, am größten in der Disc)  gegeben durch Dichte des Gases, am größten in der Disc) - e +

- e +    e +  e + , e + N  , e + N   e + e +  + N  + N

( (  gegeben durch Gamma- und Elektronendichte, am größten in Disc  gegeben durch Gamma- und Elektronendichte, am größten in Disc - kosmische Hintergrundstrahlung (isotrop)

- kosmische Hintergrundstrahlung (isotrop) Energiespektren sehr unterschiedlich, aber bekannt Energiespektren sehr unterschiedlich, aber bekannt Wirkungsquerschnitte bekannt

Wirkungsquerschnitte bekannt

Dichten nicht genau bekannt, letztendliche Normalisierung bei jeder Dichten nicht genau bekannt, letztendliche Normalisierung bei jeder Messreihe offen lassen

Messreihe offen lassen

Normalisierung begrenzt durch totalen Normalisierungsfehler für EGRET Normalisierung begrenzt durch totalen Normalisierungsfehler für EGRET Daten von 15%. Fehler zwischen Datenpunkten: ~7%

Daten von 15%. Fehler zwischen Datenpunkten: ~7%

    

f 2

2 l

f f

dl

2 M B 1

dE b dN 4

, v E

sight of line









 



Fluß

Fluß Φ Φ  der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation  der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation

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28. Jan. 2005

Wirkungsquerschnitt

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HUBBLE- Konstante bestimmt WIMP- Annihilations- WQ HUBBLE- Konstante bestimmt WIMP- Annihilations- WQ

Boltzmann Gleichung:

nn_: tatsächliche Teilchendichte der WIMPs : tatsächliche Teilchendichte der WIMPs nn_eqeq: Teilchendichte der WIMPs im GG: Teilchendichte der WIMPs im GG RS beschreibt Produktion und Vernichtung RS beschreibt Produktion und Vernichtung H – Term berücksichtigt die Verringerung der H – Term berücksichtigt die Verringerung der Dichte durch die Expansion

Dichte durch die Expansion

WIMPA ist starke Quelle von Antiprotonen, WIMPA ist starke Quelle von Antiprotonen, Positronen und Gammas

Positronen und Gammas (Annihilation in Quarks) (Annihilation in Quarks)

_ __ _ _ _ _ _ T >> M: f + f

T >> M: f + f  M+M M+M M+M  M+M  f + f f + f T < M: M+M

T < M: M+M  f + f f + f

T = M / 22: M entkoppelt, Dichte stabil T = M / 22: M entkoppelt, Dichte stabil

AR AR  ER  ER    =  = vv n n_  HH : Reaktionsrate: Reaktionsrate

HH: Expansionsrate: Expansionsrate

vv = 2* 10 = 2* 10^-26^-26 cm³/s cm³/s

Thermal equilibrium abundance Actual abundance

T=M/22

Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

(10)

28. Jan. 2005

Messungen und Messungen und

Unsicherheiten

(11)

Überschuss diffuser Gammastrahlung > 1 GeV Überschuss diffuser Gammastrahlung > 1 GeV

Strong, Moskalenko, Reimer, APJ.613, astro-ph/0406254

2004

A: inner Galaxy (l = ± 30°, |b| < 5°) B: Galactic plane avoiding A

C: Outer Galaxy

D: low latitude (10°- 20°) E: intermediate lat.(20°- 60°) F: Galactic poles (60°- 90°)

A B C

D E F



₀

Brem sstra

hlung Inv. C

ompton

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28. Jan. 2005

(13)

Diffuse

Diffuse   - Strahlung für unterschiedliche Himmelsrichtungen - Strahlung für unterschiedliche Himmelsrichtungen

Galaktischen und extragalaktischen Hintergrund und DMA gleichzeitig fitten bei gleicher WIMP- Masse und DM- Normalisierung in alle Richtungen.

Boost- Faktor liegt bei 70 in alle Richtungen  Einfluss auf die Statistik > 10

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

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

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28. Jan. 2005

Ungewissheit bei Hintergrund und Signalform Ungewissheit bei Hintergrund und Signalform

65 100

Bremss

trahlung Extragal.

WIMPS IC



⁰

Bremsstra hlung Extragal.

WIMPS IC



⁰

Blauer Bereich: Unsicherheit des Hintergrunds

Blauer Bereich: Unsicherheit des Hintergrunds bezüglich der WIMP Masse bezüglich der WIMP Masse Roter Bereich: Fluss der DMA

Roter Bereich: Fluss der DMA Gelber Bereich: Hintergrund

Gelber Bereich: Hintergrund  WIMP Masse: 50- 100 GeVWIMP Masse: 50- 100 GeV

(15)

WIMP- Masse aus Energiespektren WIMP- Masse aus Energiespektren

Überschüssige - Strahlung hat gleiches Spektrum in alle Richtungen, vergleichbar mit einer WIMP- Masse von 50- 100 GeV

EGRET Überschuss über extrapoliertem BG der Daten unter 0,5 GeV

Überschuss hat gleiche Kurvenform in alle Richtungen

 überall gleiche Quelle

Statistical

errors only

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28. Jan. 2005

BG- Unsicherheiten BG- Unsicherheiten

Ergebnis:

Im Datenbereich von 0,1- 0,5 GeV sind das Haloprofil, der BG und die WIMP- Masse unabhängig von der Wahl der Ausgleichskurve.

Statistischer Fehler

vernachlässigbar, da der Fehler zwischen den Datenpunkten 7,5%

beträgt.

T. Kamae et al, 2004, astro-ph/0410617

BG I II III

III = double break

(17)

Dichteverteilung von DM

(18)

28. Jan. 2005

Erwartetes Profil

Haloprofil

Beobachtetes Profil xy

xz

xy

xz

(19)

x y z

2003, Ibata et al, Yanny et al.

(20)

28. Jan. 2005

1/r²- Profil mit / ohne Ringe für E > 0,5 GeV

Halo- Daten: Ausgleichskurven der Längengrad- Fluss- Kurven bei verschiedenen Breitengraden: < 5°, 5° < b < 10°, 10° < b < 20°, 20° < b < 90°

OHNE Ringe

DISC

5° < b < 10°

10° < b < 20°

20° < b < 90°

Mit 2 Ringen

DISC

5° < b < 10° 20° < b < 90°

10° < b < 20°

(21)

Rotationskurve

Outer Ring Inner Ring

bulge

Total DM

1/r² halo

disk

(22)

28. Jan. 2005

Rotationskurven anderer Galaxien

(23)

Ursache für die Ringstruktur Ursache für die Ringstruktur

Einfall einer Zwerggalaxie, die keine perfekte sphärische

Symmetrie hat in das

Gravitationspotential einer größeren Galaxie.

Ringartige Struktur mit erhöhter DM- Dichte, deren Dicke und Ausdehnung mehrer kpc beträgt

Apocenter

Pericenter

Anziehungskraft  Gradienten des Gravitationsfelds  1/r³

 Auseinanderfall am stärksten im Perizentrum bei großen elliptischen

Bahnen

(24)

28. Jan. 2005

(25)

(26)

28. Jan. 2005

BOOST- Faktor

(27)

Clustern der DM

Clustern der DM  Erhöhung der DMA- Rate Erhöhung der DMA- Rate

Clustergröße: 10¹⁴ cm = 10 x Sonnensystem M_min  10^-8 M_סּ

Clusterdichte  25 pc^-3(alle 130 Lichtjahre trifft man auf ein Cluster)

Anteil der Halo- Masse in Klumpen: 0,002 Klumpen der Masse M_min leisten den größten Beitrag bei der DMA

viele Ereignisse

gleicher Boost- Faktor in alle Richtungen Boost- Faktor  <²>/<>²  10-100

Effektiver DMA- WQ liegt zwischen 20 - 200·10^-26 cm³ s^-1

gefitteter Boost- Faktor: 20-100 (abhängig vom BG)

Analytische KalkulationAnalytische KalkulationN- Körper- SimulationN- Körper- Simulation

pc- Auflösungkpc- Auflösung pc- Auflösungkpc- Auflösung

(28)

28. Jan. 2005

Ergebnisse aus den Fits für Ergebnisse aus den Fits für

Φ Φ _ _

(29)

bei 14- 18 kpc:

Ring von Sternen

(Einfall einer Zwerggalaxie: Yanny, Ibata,…)

bei 4 kpc:

Ring aus neutralen Wasserstoff- Molekülen

Masse in den Ringen 1.6 and 0.3% der gesamten DM

Fit- Ergebnisse der Halo- Parameter

H

₂

H

R [kpc]

4

 1/r²

=2

2 Gaussian Ringe

 

 



f 2

2 l

f f dl

2 M B 1 dE b

dN 4

, v E

sight of line









 



Parameter

Parameter WertWert



 22

 22

 00

R

R₀₀ 8,5 kpc8,5 kpc

aa 4 kpc4 kpc

₀₀ 0,42 GeV/cm³0,42 GeV/cm³

_a_a 1,8- 3,3 GeV/cm³1,8- 3,3 GeV/cm³

_b_b 1,2- 2,1 Gev/cm³1,2- 2,1 Gev/cm³

b/ab/a 0,90,9

c/ac/a 0,80,8

RR_a_a 4,3 kpc4,3 kpc R

R_b_b 14 kpc14 kpc



_Ra_Ra 3,4 kpc3,4 kpc

_Rb_Rb 2,1 kpc 2,1 kpc

_za_za 0,3 kpc0,3 kpc

_zb_zb 1,3 kpc1,3 kpc

BB 20- 10020- 100

<v> siehe WMAP

(30)

28. Jan. 2005

Einige interessante Daten Einige interessante Daten

Entfernung zur Sonne

Entfernung zur Sonne 8’ 15‘‘ 8’ 15‘‘

Entfernung zum nächsten Stern (

Entfernung zum nächsten Stern (   Centauri) Centauri) 1,3 pc 1,3 pc Dicke der Milchstrasse

Dicke der Milchstrasse 0,3 kpc 0,3 kpc

Entfernung zum galaktischen Zentrum

Entfernung zum galaktischen Zentrum 8 kpc 8 kpc Radius der Milchstrasse

Radius der Milchstrasse 12,5 kpc 12,5 kpc

Entfernung zur nächsten Galaxie (LMC)

Entfernung zur nächsten Galaxie (LMC) 55 kpc 55 kpc Entfernung zum Andromeda- Nebel

Entfernung zum Andromeda- Nebel 770 kpc 770 kpc Größe von Galaxienhaufen

Größe von Galaxienhaufen 1- 5 Mpc 1- 5 Mpc Entfernung zum Zentrum des nächsten Superhaufens

Entfernung zum Zentrum des nächsten Superhaufens 20 Mpc / h 20 Mpc / h Größe von Superclustern

Größe von Superclustern   50/h Mpc 50/h Mpc Hubble Radius

Hubble Radius 3000/h Mpc 3000/h Mpc

(31)

Vergleich der Daten mit Vergleich der Daten mit

SUSY SUSY

(32)

28. Jan. 2005

DM- Vernichtung in der SUSY DM- Vernichtung in der SUSY

entscheidende Diagramm des WMAP- WQ Gammaspektren von den Quarks

 +   A _ MONOENERGETISCHE am LEP erforscht!

 MONOENERGETISCHE b b Quark- Paar



 f

f

f f

Z Z W

W



^



⁰

f ~

A Z

Galaxy = SUPER-B-factory mit Intensität die 40 Größenordnungen über der von Menschen gemachten B-factories

(33)

SUSY- Massenspektrum in MSUGRA passt zu WMAP und EGRET

(minimal supergravity grand unification))

LSP größtenteils Bino  DM vielleicht supersymmetrische Partner von CMB

(Cosmic Mircowave Background)

Charginos, neutralinos und gluinos light

(34)

28. Jan. 2005

Zusammenführen der Kopplungskonstanten

Mit dem SUSY- Spektrum aus den EGRET- Daten kreuzen sich die

Kopplungskonstanten in einem Punkt. _s=0.123 ist die Vereinheitlichung der drei Kopplungskonstanten in diesem Punkt.

Update from Amaldi, dB, Fürstenau, PLB 260 1991

SM SUSY

(35)

Der Urknall und seine Der Urknall und seine Teilchen Teilchen