Evidenz für dunkler Materie Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik Christian Pabst

Evidenz für dunkler MaterieScheinseminar Astro- und Teilchenphysik

Christian Pabst

Inhaltsverzeichnis1. Phänomene

Rotationskurven von SpiralgalaxienBewegung in GalaxiehaufenHeißes Gas in Galaxie ClusternEffekte durch GravitationslinsenCMB

2. Erklärung der DMBaryonische Materie (MACHO)Heiße Dunkle Materie (HDM)

• NeutrinosKalte Dunkle Materie (CDM)

• WIMPs (LSP, primordiale BH)• Axionen

MOND (Modified Newton Dynamics)3. Zusammenfassung

Rotationskurven von Spiralgalaxien

Fehlende Masse

Aus Stabilität der Planetenbahnen

Z G

1 2

F Fmv² mMG

r r²v r

Aus Messungen v(r) = konst.

Rotationskurven von Spiralgalaxien=> Halo mit

2(r) r

HALO

HALO ca. 90% der Galaxie

GalaxienhaufenBewegung in Galaxienhaufen

Virialsatz

2

2Pot

G M1 1 1Mv E2 2 2 r

10 mal mehr Masse als sichtbar

Röntgenstrahlung von Gasen

Der Galaxienhaufen Abell 3528

Röntgenstrahlung durch heißes Gas

schnelle Gasteilchen

Massenbestimmung des Galaxienhaufenweil Gas an Galaxienhaufen gebunden

M > MVIS

Gravitationslinsen

Verzerrung durch Galaxienhaufen Abell 2218

Massereiche Objekte führen zur Krümmung des Raums (allg. Relativitätstheorie)

Die aus der Krümmung errechnete Masse

M > MVIS

CMB

COBE

Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen

Planck-Spektrum

bester fit mit ΛCDM: Ω0= 0,99±0,12, Ωm = 0.3, ΩΛ = 0,7

5T 10T

Baryonische Materie

Bar0,03 0,05

Aus Nukleosynthese

Dunkle Materie in HALOS

Aufnahme von D/H Radiowellen von einem Quasar

Gal 0,1

(für H0 = 50 km s-1 Mpc-1)

(für H0 = 70 km s-1 Mpc-1)

LUM0,005 0,01

Sichtbare Masse

Zusammensetzung der Galaxie bzw. Universum

4 0,522,5

73

DE DM GAS Stars

2

c3H² c

8 G

H(t) = Hubbel Konstante

km s70Mpc

MACHOs

M Zwerge

0,08 MS

Gasmasse die IR strahlt

zu wenig Strahlung gemessen

kein Kandidat für DM

MACHOs Weiße Zwerge

0,5 – 1,2 MS

zu wenig Zeit für Entwicklung kein Kandidat für DM

Planetarischer Nebel NGC 2440 im Sternbild Puppis

MACHOsNeutronensterne Schwarze Löcher

1,4 MS 109 MS

Anzahl der schweren Elemente begrenzt die Anzahl der NS und BH

Kein Kandidaten für DM

Der Pulsar im Krebsnebel (Pfeil). Er rotiert 30 mal pro Sekunde.

Dieses Bild der Galaxie Pictoris A zeigt den Jet eines Schwarzen Loches 'in Echt'. Das Bild oben wurde im Bereich der Röntgenstrahlung vom Chandra X-ray Weltraum-Observatorium der NASA erstellt. Oben rechts trifft der Jet auf eine Gaswolke, die er zum Leuchten anregt.

MACHOsBraune Zwerge

>0,08 MS

rel. hohe Dichte und wenig IR 20% von Halo mit –12% - 30% Fehler

Begleiter des hellen Sterns Epsilon Indi im Sternbild Indus (Indianer)

Kandidat für DM

MACHOsPlanten + Kometen

Masseanteil zur Sonne zu gering Kein Kandidat für DM

Jupiter Kometen Hale-Bopp

Heiße Dunkle Materie (HDM)Neutrinos lange heißer Kandidat für DM

Abschätzung Neutrinomasse

cN m m 20eV

29 3c 2 10 g cm

0,1

2eV m 20eV

Weiter Einschränkung durch Galaxiebildung

1 3F max maxE c(3 ²n ) p c

4 3f

maxm vn m3 ² ³

fv 2GM r

10eV m 20eV

Mit Neutrinos als Fermi-Gas bei T = 0K

mit

Heiße Dunkle Materie (HDM)

Neutrino - Oszillationen

2 2 2 31 2m m m 3 10 eV

Neutrino-AbsorptionWenn leicht Neutrinos den gal. HALO anfüllen, dann scharfe Absorptionslinien für höchstenergetische Neutrinos

m 10eV 2

20ZME 4,2 10 eV2m

0Z Hadronen und Leptonen

mνe< 1eV

Exp. Bestimmung der Neutinomasse (Tritium-ß-Zerfall)

Argumente gegen Neutrinos

Heiße Dunkle Materie (HDM)

• Entstehung des Universums „top-down“-SzenarioBildung von Strukturen durch Quantenfluktuationkrit. Masse für Bildung von Strukturen bei 1016 Sonnenmassen mit Neutrinos (m = 20eV)

Größe von Superhaufen nötig Erst Superhaufen dann Galaxien „top-down“-Szenario

Aus Messung , darum Neutrinos kein Kanditat für DM „bottom-up“-Szenario favorisiert CDM Durch CMB-Messung (COBE) bestätigt

z 3

Supersymmetrie

• Hierarchie Problem: wieso ist MW\MP≈10-17

• Natürlichkeitsproblemm2

H = m2H;0+O(Λ2)

Probleme des SM:

Lösungsansätze:GUT, SUSY, String-Theorie, usw.

nackte Masse Selbstenergie

Supersymmetrie

Higgs Boson

Eich Boson

Einführung von Loop Korrekturen

Supersymmetrie

Die SUSY Algebra enthält Pμ, Raum-Zeit Translationen. Aus der Eichinvarianz unterdieser Transformation folgt die Einsteinsche Theorie der Gravitation. (SUGRA)

SUSY-Algebra

• |A > wird durch supersymmetrische Transformationen in |B > überführt• Superpartner haben die gleiche Masse• Superpartner haben dieselben Eichquantenzahlen (Ladung, schwacher

Isospin, Farbe, Masse)

Repräsentanten der SUSY sind Supermultipletts

Supersymmetrie

MSSM minimale Anzahl neuer Teilchen und WW

R-Parität

3(B L) 2SRP ( 1) Particles (SM) = 1, Sparticles(SUSY) = -1

• Keine Mischung zwischen PR = 1 und PR = -1 Teilchen• Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt werden• Jeder Wechselwirkungsvertex muss eine gerade Anzahl (normal 0 oder 2) PR=-1

Sparticles haben.• Ein schweres supersymmetrisches Teilchen kann in Leichtere zerfallen• Das leichteste Sparticle (LSP) muß stabil sein• Jedes Sparticle außer das leichteste zerfällt in einen Zustand mit einer ungeraden

Anzahl LSP (normal 1)• Supersymmetrische Teilchen sollte man daran erkennen können, dass viel

Energie fehlt, die vom LSP weggetragen wird.

LSP

Neutralino: Die neutralen fermionischen Partner der neutralen Eichbosonen W*0 und B*0 mischen mit den neutralen fermionischen Partnern vom Higgs-Boson H*0

1;2.

Die vier Neutralinos (χ*0i) sind Eigenzustände der Diagonalisierten

Massenmatrix

LSP

Es gilt: M χ1 <M χ2 <M χ3<M χ4

Das Neutralinos (χ*00) ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP),

solang R-Parität erhaltenund Gravitino nicht leichter.

Idealer Kandidat für CDM

primordiale schwarze Löcherwäre guter Kandidat für CDMschweres WIMPs

m = 1018 g oder 10-15mS r = 10-12 m ρ = 1048 g/cm3

Entstehung:• spontanen Symmetriebrechungen eines Skalarfeldes im Frühphase des Universums • kollabierte Gravitationswellen, die super-kritischen Brill- Wellen

Zerfall:•Quanteneffekte Löcher würden schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung)

Akkretion durch Mini–Löchern (pri. BH) Saatkörner für Galaxien (spekulativ)

AxionenCP Verletzung bei K0-Zerfall

QCD existieren Terme,in der starken WW, die CP verletzend sind

Fürs Neutron: elekt. Dipolmoment = magnetische Dipolmoment (starkes CP-Problem)

Erklärung: zusätzlich Felde und Symmetrien (Peccei Quinn Symmetrie UPQ(1) ), die bei einer Skala fa spontan gebrochen wird

Pseudo-Goldstone Boson Axions

Zwei Photonen Kopplung (ähnlich π0)

Kopplungen des Axions sind proportional zu 1/fa, sehr schwach

Aγ

γ A γ

Feld

Axionen

Problem: noch nicht nachgewiesen

Masse der Axione über Zerfallskonstante fa ,Vakuumserwartungswert eines Higgsfeldes, bestimmt.

Man kann sich folgende Grenzen für die Masse der Axionen überlegen: • Bei m ≈ 1 keV würde die Sonne durch Emission von Axionen zu viel

Energie verlieren und zu schnell abkühlen. • Bei m > 10-2 eV könnte das Heliumbrennen in roten Riesen nicht einsetzen. • Aus der Breite des Neutrinopulses der Supernova SN 1987A ergibt sich

eine m < 10-3 eV • Damit die Axionendichte der kritischen Dichte des Universums entspricht,

m ≈ 10-5eV ρ = 1010 Teilchen pro cm³

7A am 0,62eV10 GeV f

10-5eV < mA < 10-3eV

MONDModified Newton Dynamics

Zusammenfassung

Universum besteht aus:

DE DM Baryon(73%) (23%) (4%)

Galaxie besteht aus:

DM Baryon(86%) (14%)

Aussichtreichster Kandidat für DM

LSPB Zwerge