Dunkle Materie / Dunkle Energie Hauptseminar: Experimentelle Kosmologie und Teilchenphysik

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  • Dunkle Materie / Dunkle Energie Hauptseminar: Experimentelle Kosmologie und Teilchenphysik
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  • Inhalt des Vortrags Friedmann-Gleichung Experimentelle Bestimmung der Dunklen Energie Grnde fr die Existenz Dunkler Materie Kandidaten fr die Dunkle Materie
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  • Friedmann-Gleichung Das Kosmologische Prinzip Das Universum ist rumlich homogen und isotrop. Kein Punkt ist ausgezeichnet. Keine Richtung ist ausgezeichnet. Das Prinzip gilt allerdings nur fr sehr groe Skalen.
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  • Friedmann-Gleichung Gravitationskraft auf die Masse m: Kinetische Energie Potentielle Energie Integrations- konstante Herleitung nach Newton:
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  • Friedmann-Gleichung Skalenfaktor (enthlt die volle Zeitabhngigkeit) U>0 => unendliche Expansion U Ausdehnung gefolgt von Kontraktion U=0 => Beschleunigung geht gegen 0
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  • Friedmann-Gleichung Fehler dieser Herleitung: Eine Kugel mit endlichem Radius kann kein homogenes, isotropes Universum darstellen. Allgemeine Herleitung erfolgt ber ART - Massendichte wird durch Energiedichte ersetzt - K ist ein Ma fr die Krmmung des Raums
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  • Friedmann-Gleichung Krmmung k im 2 dim. Raum: flach: pos. Krmmungneg. Krmmung
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  • Friedmann-Gleichung Die Geometrie hngt von der Krmmungskonstanten k und dem Radius R der Krmmung ab. k = -1 => negativ k = 0 => flach k = 1 => positiv
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  • Friedmann-Gleichung Krmmung im 3 dim. Raum:
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  • Friedmann-Gleichung Robertson-Walker-Metrik Relationen, die Distanzen im Raum angeben, werden Metrik genannt. Die Suche nach einer Metrik fr ein homogenes, isotropes Universum fhren Robertson und Walker in den dreiiger Jahren auf die Beziehung:
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  • Friedmann-Gleichung Einfhrung von Lambda 1915 war noch nicht bekannt, dass das Universum expandiert. Einstein glaubte, das Universum sei statisch. 1917 erweitert er seine Feldgleichungen um den Term. Damit wird eine statische Lsung mglich. Kosmologische Konstante
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  • Weltmodelle Hubble-Parameter Kritische Dichte Dichte fr den Fall eines flachen Universums. Man betrachtet gewhnlich: (dimensionslos)
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  • Weltmodelle Im Allgemeinen nur durch numerische Integration zu lsen. Fluid Gleichung Zustandsgleichung Rel. Gas(Phptonen) Nichtrel. Teilchen (Materie) Komponente
  • Experimente SCP (Supernova-Cosmology-Project) SCP (Supernova-Cosmology-Project) HZS (High-z-Supernova-Search) HZS (High-z-Supernova-Search) Die Suche nach Lambda 1. Ansatz: Die Leuchtkraftentfernung d L (z) eines Objekts hngt auch von ab. Unterschiede machen sich jedoch erst ab z > 0,2 bemerkbar. SN Ia werden als zuverlssige Entfernungs- Indikatoren untersucht.
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  • Experimente
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  • Ergebnisse der Forschungsgruppen Scheinbare Helligkeiten sind geringer, als man mit = 0 erwarten wrde kann empirisch eingegrenzt werden Aus Schaubild ergibt sich beste bereinstimmung bei und
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  • Experimente 2. Ansatz Untersuchung des Fluktuationsspektrums des CMB
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  • Experimente Winzige Variationen der Intensitt in verschiedene Richtungen knnen als Temperaturfluktuationen aufgefasst werden. Korrelationsfunktion:
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  • Experimente Multipole l
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  • Experimente
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  • 3. Ansatz Powerspektrum der Strukturverteilung auf groen Skalen
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  • Experimente Ergebnisse der drei betrachteten Untersuchungen
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  • Existenz Dunkler Materie In den 30. Jahren studierte Fritz Zwicky den Coma Cluster und stellte fest, dass die Radial- geschwindigkeiten der Galaxien sehr gro sind. = > Die leuchtende Materie reicht nicht aus um den Cluster zusammenzuhalten
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  • Existenz Dunkler Materie Schlussfolgerung: Es muss eine groe Menge Dunkler Materie vorhanden sein, die den Cluster zusammenhlt.
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  • Existenz Dunkler Materie Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien Wre Leuchtkraft ein zuverlssiger Indikator fr Masse, so msste sich die Masse einer Galaxie auf ihren zentralen Bereich konzentrieren. Die Rotationsgeschwindigkeit msste dann mit wachsendem Abstand vom Zentrum abnehmen.
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  • Existenz Dunkler Materie
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  • Knadidaten Baryonische Materie: Gas oder Nebel Sternenlicht manchmal durch Nebel verdeckt MACHOs (Massive Compact Halo Object) Jupiter Braune Zwerge Nichtbaryonische Materie Hot dark matter Neutrinos Cold dark matter WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) Stabile SUSY Teilchen Axion
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  • Kandidaten Das Intergalaktische Medium (IGM) Raum zwischen Galaxien ist gefllt mit Materie geringer Dichte. Da nur wenige Atome pro m 3 vorhanden sind, ist das IGM ein uerst ineffizienter Strahler. = > keine Emission nachweisbar. Indirekter Nachweis erfolgt durch Absorptionslinien in Quasarspektren
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  • Kandidaten H H = > IGM ist eine Art Dunkler Materie, ungleichmig verteilt und nicht gravitativ gebunden
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  • Kandidaten Gravitationslinsen ART: Die Ausbreitung von Licht ndert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld
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  • Kandidaten Fr kugelsymmetrische Linse gilt: Winkelradius: Einsteinringe mit Radius E b MLML ;d = Entfernung Beobachter-Stern ;xd = Ebtfernung Beobachter-Linse
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  • Kandidaten
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  • Mikrolinseneffekt Einzelsterne wirken als Gravitationslinse Macht sich durch kurzzeitige Verstrkung der Helligkeit des Hintergrundsterns bemerkbar. Nichtleuchtende Materie wirkt als Linse Kompakte (sub) stellare Objekte MACHOs Khle Braune Zwerge und Planeten Ausgekhlte Weie Zwerge
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  • Kandidaten Neutrinos (HDM) Lange Zeit Kandidat fr nichtbaryonische Dunkle Materie. Sie produzieren jedoch nur Strukturen auf groen Skalen, nicht auf kleinen, da sie durch ihre hohe Geschwindigkeit nicht gebunden sind. Hot dark matter CDM HDM
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  • Kandidaten Cold dark matter Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Im frhen Universum konnten WIMPs erzeugt und vernichtet werden. Solange T > m X war die Dichte vergleichbar mit der von Elektronen, positronen und Photonen. Fr kleinere T => keine Annihilation
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  • Kandidaten Supersymmetrische DM hnlich wie bei den Baryonen (Neutron, Proton) wird es nur ein oder zwei supersymmetrische Kandidaten geben, weil der Rest nicht stabil genug ist und in das LSP zerf llt.
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  • Kandidaten Neutralino Das Neutralino ist der wahrscheinlich leichteste SSDM Kandidat. Neutralinos haben sich im fr hen Universum vom hei en Plasma abgekoppelt, als sie nicht mehr relativistisch waren, damit sind sie CDM. Die Reliktdichte k nnte den fehlenden CDM Anteil im Universum erkl ren. Die Masse des Neutralinos liegt etwa zwischen 100-1000GeV. Axionen Axionen z hlen zur kalten DM da sie nie im thermischen Gleichgewicht waren. Sie wurden in der Peccei Quinn Theorie das erste mal postuliert, um Vorg nge mit CP Verletzung in der Starken WW zu erkl ren. Ihre Masse wird auf 10-3 10-6eV gesch tzt. Die Axionen k nnten theoretisch den Anteil der kalten dunklen Materie stellen.
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  • Zusammenfassung