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INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

Dunkle Materie, was ist das?oder

Die dunkle Seite des Universums

Planetarium Stuttgart, 9. Dezember, 2011

Please insert a figure in the master transparency.

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE

www.kit.edu

2Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

If it is not dark, it does not matter

Dunkle Materie (DM): Grav. anziehendDunkle Energie (DE): Grav. abstoßend

Nur Materie, keine Antimaterie

Supersymmetrie (liefert Kandidat für DM)(Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen)

3Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

One half is observed! One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!

Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

4Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Entwicklung des Universums in einer GUT

5Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

durch Vakuumenergie?

6Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

PerlmutterSchmidtRiessNobelpreis 2011

Was ist Dunkle Energie? Vakuumenergie?

7Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Vakuumenergiedichte praktisch konstant.Materie- und Strahlungsdichte nehmen abmit der Zeit.

Gibt es ein perfektes Vakuum?

Antwort: NEIN,auch wenn man dieMagdeburger Halbkugelnabsolut leerpumpen könnte,wird es immer noch Strahlung der Wände geben.

8Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

g(auch beim absoluten Nullpunkt(“Nullpunktsfluktuationen”)

Quantummechanisch kanndiese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden(erlaubt durch HeisenbergscheUnsicherheitsrelation)

Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar?

Vakuumfluktuationenmachen sich bemerkbardurch:1) Lamb shift2) Casimir Effekt3) Laufende Kopplungs-

konstanten 4) Abstoßende Gravitation

9Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Warum ist das Vakuum des Universums so leer?

4) Abstoßende Gravitation

Berechnung der Vakuumenergiedichte:10115 GeV/cm3 im Standardmodell1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie

Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3

Vakuumenergie abstoßende Gravitation (nach Newton)

Expansion mit Geschwindigkeitv=R´=dR/dt

Betrachte Masse m in äußerer Schalemit Geschwindigkeit v. Sie spürt Gravitationspotential der inneren Masse M.Energie:

E= ½mv2-GmM/R= ½mR´2-Gm(4R3/3)/R

Energieerhaltung: dE/dt=0 oderR´R´´ 4 G/3(R2 )´ 0

M mR

10Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

R R - 4G/3(R2) = 0R´R´´= 4G/3(2RR´+R2´)

Vakuumenergie: ´ = 0Beschleunigung: R´´= 8GR/3Solution:R=R0et/ mit =3/8G1/H0 013.8.109 a

Nobelpreis 2011 einfach erklärt

Aus dem Hubbleschen Expansionsgesetz kann man Abstände herleiten unter der Annahme, dass es nur Materie mit anziehender Gravitation gibt.

Beobachtet wird jedoch, dass die weit entfernten Supernovae weiter weg sind als vom Hubbleschen Gesetz vorhergesagt.

Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel

Standard Kerzen:Laternen oderSupernovae 1a

11Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne.

Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat beschleunigte Bewegung.

Sternentwicklung

12Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png

Hubble Bild des Überrestes der Supernova 1987A Stern-Explosion vom 6. Februar, 1998

Die meiste Materie ist NICHT sichtbar mit optischen Teleskopen (wie Hubble)

AMS kann jedoch die hoch-energetische kosmische Strahlung solcher Explosionen

13Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

g psichtbar machen.

Und nach dunkler Materie suchen, von der erwartet wird, dass bei der Vernichtung kosmische Strahlung in Form von Materie und Antimaterie entsteht.

Beachte: im sichtbaren Univ. 1011 Galaxien 300.000 SN / Stunde!

Entdeckung der dunklen Materie

14Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski

Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt.

Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!)

Die DM muss schwache Wechselwirkung mit normaler Materie haben, sonst kein Halo!

Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.

Rot:

Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential

dunkel

15Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Beobachtungen:

•Chandra X-ray telescope zeigt Verteilung des Gases•Hubble Space Telescope beobachtet Verteilung der dunkle Materie(via Gravitationslinsen)

•Verteilungen sehr unterschiedlich -> dunkle Materie hat nur schwache Wechselwirkung!

sichtbaresGas

Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

16Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

August 22, 2006

“Seeking the lost seeds of the Big Bang”

Dark matter makes up 83% of the matter in the universe and hence dominates the gravitational forces forming galaxies,

17Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart@Matthias Steinmetz

Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt!

„Dunkle Energie“ sindQuantenfluktuationen?

Zusammenfassung bisher

18Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

„Dunkle Materie“ sind WIMPS(Weakly Interacting MassiveParticles)SupersymmetrischePartner der Photonen?LHC und Raumfahrtexp.AMS-02 werden dies zeigen?

Direkter Nachweis von WIMPs

χ χ

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meistkoherent, d.h. Wellenlänge des einlaufendenTeilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/pgrößer als Kernradius, so es kann einzelneKerne nicht auflösen und Rückstoß wird an

19Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

ER ~ Ekin (1 - cos)

Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuungan Kernen durchführen

den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)

Kern wird aus dem Gitter gestoßen

IonisationErwärmung (Phononen)Kernanregung Szintillation

Experimente zur Suche nach DMCRESSTROSEBUDCUORICINO

CRESST IIROSEBUD

CDMSEDELWEISS

Phonons

20Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA

XENONZEPLIN II,III,IV

HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (TPC)

ER

Ionization Scintillation

Weltweite WIMP Suchen

21Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

r den

sity

, Grie

st, P

R 1

995

WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s

T>>M: f + f-> M + M; M+M -> f + fT<M: M+M->f + fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationsrate Expansions-rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

22Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

T=M/22Com

ovin

g nu

mbe

r

x=m/TJung

man

n,K

amio

nkow

ski,

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

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

Vernichtung der dunklen Materie Antimaterie!

DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein.

Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet

23Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html

Teilchen werden vernichtetund die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie.

Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung(am LEP Beschleuniger studiert)

DM Annihilation in Supersymmetrie

f

f

f

f

f

f

ZW0

f~ A Z

≈37 gammas

24Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

ZW 0

WIMP Wunder:Neutralino Annihilations-Wirkungsquerschnittstimmt gut mit WMAPErwartung überein.

TRD

TRACKER PLANE 1N

PLANE 1NS

UTOF

ANTIMATTERMATTERWeight 7000 kgVolume 64 cubic metersPower 2500 wattsData downlink 2 Mbps (average)Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field)Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

25Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

MA

GN

ET

VACUUM CASE

ECALTRACKER PLANE 6

TRACKER

AC

C

LTOF

RICH

(Nd2Fe14B), weighting 1200 kgSubsystems 15 particle detectors and supporting subsystemsLaunch 16th May 2011, 08:56 am EDTMission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth)Construction 1999-2010RWTH + KIT Transition Rad. Detector(Schael) (de Boer)Cost $2 billion (estimated)

Alpha Magnetic Spectrometer - AMS-01Testflight, STS-91, 2 June 1998 (10 days)

26Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Teste ob fragile Si-Sensoren Erschütterungen eines Starts überleben und mitden Temperaturschwankungen und Kühlung im Weltall zurechtkommen

AMS ist ein Teilchenphysik-Detektor im Weltall

Nobel Prizes,(1) Pulsar,(2) Microwave

27Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

(2) Microwave,(3) Binary Pulsars,(4) Solar neutrino

X Ray sources

AMS in der Maxwell EMI Kammer am ESTEC (NL)

28Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart28

N A S A  Sh u t t le  L a n d i n g  F a c i l i t yAir Force C-5 Galaxyfür den Transport von AMS-02von Genf nach Cape Canaveral September 2010

29Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

PayloadCommanderAndreasSabellekvon KIT

KIT verantwortlich für AMS nach dem Start

30Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

von KITvor Endeavournach dem letzten Checkvon AMS inEndeavour

Launch, 16.5.2011 um 8:56 (European time)

31Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

AMS-02 installiert auf der ISS

Astro-nauten

32Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

AMS-02

Astronautentag, 10.11.2011 in Karlsruhe

33Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS

34Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

600 physicists, 60 institutes, 16 countries

SpokesmanSam TingNobelprize 1976started AMS in 1994

35Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

36Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium StuttgartCarbon Nucleus, 41.8 GeV

Endeavour Day 6: ISS tour

37Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Endeavour Day 6Endeavour Day 6: Message from Vatican

38Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Zusammenfassung

Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt.

Dunkle Energie dominiert unser Universum abstoßende Gravitation!

39Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart

Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM.Satellitenexp. (AMS, Fermi,…) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der Antimaterie). Oder direkte DM Suchen?

Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet wie so oft in der Physik!