Dunkle Materie [Schreibgesch-374tzt]hebbeker/lectures/sem0607/lennarz... · Dunkle Materie Dirk Lennarz RWTH Aachen 16. Januar 2007 Hadron -Kollider -Experimente bei sehr hohen Energien

Dunkle Materie

Dirk LennarzRWTH Aachen16. Januar 2007

HadronHadron--KolliderKollider--Experimente bei sehr hohen EnergienExperimente bei sehr hohen EnergienBetreuer: Betreuer: Christopher WiebuschChristopher Wiebusch

HadronHadron--KolliderKollider--Experimente bei sehr hohen EnergienExperimente bei sehr hohen Energien Dunkle MaterieDunkle Materie --11--

Dunkle MaterieDunkle Materie

�� Wie kam man auf die Idee, dass es Wie kam man auf die Idee, dass es ““Dunkle Dunkle MaterieMaterie”” gibt?gibt?

�� Was wissen wir Was wissen wir üüber Dunkle Materie?ber Dunkle Materie?

�� Welche Kandidaten fWelche Kandidaten füür Dunkle Materie gibt es r Dunkle Materie gibt es und wie sucht man danach?und wie sucht man danach?

InhaltInhalt


1. TeilWie kam man auf die Idee, dass es “Dunkle

Materie” gibt?


1. Teil1. Teil

Beginn der Geschichte der Dunklen Materie im Jahre Beginn der Geschichte der Dunklen Materie im Jahre 18461846 mit der Entdeckung des Planeten Neptunsmit der Entdeckung des Planeten Neptuns

ProblemProblem: Bahn des Uranus (auch mit Störungsrechnung aller bisher bekannten Planten) zu ungenau

Theoretische Vorhersage von Leverrier führte zur Entdeckung des Neptun durch Galle in Berlin

DefinitionDefinition Dunkle Materie: eine für uns nur über die Gravitation wahrnehmbare (d.h. messbare) Masse


EinleitungEinleitung

LLöösungsung von Adams in England und Leverrier in Frankreich: ein unbekannter 8. Planet stört die Bahn des Uranus


VirialtheoremVirialtheoremErster Hinweis auf Dunkle Materie stammt schon aus dem Jahr 1933 von Fritz Zwicky

Anwendung des Virialtheorems auf einen Galaxienhaufen (Coma Cluster) zur Massenbestimmung

ErgebnisErgebnis: Verhältnis von Masse zu Leuchtkraft ist etwa 300 größer als das Verhältnis für die Sonne

VirialtheoremVirialtheorem:

Geschwindigkeiten über Dopplereffekt

Faktor 3, da Geschwingkeiten gleichverteilt über den Raum


RotationskurvenRotationskurvenDefinitionDefinition: Rotationsgeschwindigkeit als Funktion des radialen Abstands zum Zentrum MessungMessung: Dopplereffekt von zwei Sternen im selben Abstand zum Zentrum

Modell einer Spiralgalaxie: Sphäroidischer Kern („bulge“) und Scheibe („disk)

Im bulge ist die Dichte nahezu konstant => M(R) nimmt kubisch zu, Rotationskurve steigt linear an

In der Scheibe ändert sich M(R) nur noch gering, bleibt nahezu konstant=> Rotationskurve fällt

RotationskurvenRotationskurven


ErgebnisErgebnis: Rotationsgeschwindigkeiten bis zum sichtbaren Rand konstant

Nur erklärbar für einen HaloHaloaus Dunkler Materie mit

ErgebnisErgebnis: Am sichtbaren Rand ist Verhältnis von Dunkler Materie zur leuchtenden Materie in der Größenordnung 10:1

Gesamtmasse des dunklen Halo nicht bestimmbar, da Ausdehnung unbekannt

GravitationslinsenGravitationslinsen

Überlegung Fritz Zwicky 1937: Auswirkung von Galaxiehaufen als Gravitationslinse


Klassisch: Teilchen wird durch Gravitation abgelenkt:

Im Prinzip auch Lichtstrahlen, aber Allgemeine Relativitätstheorie erforderlich:

Entstehung (virtueller) Bilder je nach Linsenform und Positionen, auch kreisförmig (Einstein Ringe)

Aus Durchmesser eines Einstein Rings Masse bestimmbar:

Video:

2. TeilWas wissen wir über

Dunkle Materie?

2. Teil2. Teil


MateriehaushaltMateriehaushalt


Kurze Einführung in die KosmologieKosmologie

Grundlage: Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein

Masse krümt den Raum => Metrik i.A. sehr kompliziert

Für ein isotropes, homogenes, expandierendes Universum: Robertson-Walker Metrik

Feldgleichungen vereinfachen sich zur Friedman Gleichung

Vereinfachen mittels kritischer Dichte:

Idee: lasse lokales Koordinatensystem invariant und vergrößere nur Skala

Schreibweise:


GrundpfeilerGrundpfeiler

Beobachtungen und Theorien auf denen unserer heutiger Kenntnisstand über den Materiehaushalt des Universums basiert:

� Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB):

� Super Novae:

� Nukleosynthese:

� Strukturbildung:

und und


CMBCMBVorhersage isoptroper Hintergrundstrahlung 1948 von Gamov, Alpher, Herman als Konsequenz der Urknaltheorie

Universum durchsichtig rund 380.000 Jahre nach Urknall, vorher thermisches Gleichgewicht von Strahlung und Materie

Entdeckung 1964 eher zufällig durch Penzias und Wilson (Nobelpreis 1978)

1989 COBE (Mather und Smoot) um Hintergrundstrahlung zu vermessen (Nobelpreis 2006)

2002 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

CMB: EnergiedichteCMB: EnergiedichteExperimente COBE: FIRAS (John Mather) um Intensitätsspektrum zu vermessen (bis heute unverbessert)


Ergebnis FIRAS im Januar 1990: Exakte Übereinstimmung mit den theoretischen Kurven eines Planck Spektrums

Anteil der Photonen an heutiger Energiedichte gering, daher vernachlässigbar

Aus Daten: genau Bestimmung der Temperatur möglich

Energiedichte berechenbar


CMB: AnisotropienCMB: Anisotropien

Entdeckung erst im Jahr April 1992

Zweite Cobe Experiment: DMR (George Smoot) um Fluktuationen zu untersuchenFluktuationen sind durch Gravitation angewachsen und haben zu allen Strukturen im Universum geführt

Dominierender Dopplerdipol durch Bewegung im CMB-Bezugssystem und Emission aus der Milchstraße müssen erst subtrahiert werden

Entwicklung der Anisotropien nach Kugelflächenfunktionen

Kosmologische Informationen stecken vor allem in der Separation zweier Punkte (nur ein Winkel)

Leistung einer l-Mode:

Winkelskala in etwa gegen durch 180°/l


CMB: AnalyseCMB: Analyse

COBE: Auflösung von 7°

WMAP: Auflösung von 0,2°

Brauche bessere Auflösung

Wieso ist das Wieso ist das eigentlich interessant?eigentlich interessant?

Andrei Sacharow: Fluktuationen durch akustische Oszillationen des Photon-Plasma-Fluids führen zu charakteristischen l-Moden auf kleinen Winkelskalen

Leistung einer l-Mode aus Modelen vorhersagbar: Sachs-Wolfe-Effekt, akustische Schwingungen, Silk-Dämpfung

wegen Korrelationen => „Band-Leistung“


CMB: ErgebnisseCMB: Ergebnisse

Position des 1. Maximums sehr sensitiv auf Wert von k

Mit leichter Einschränkung auf h wurde bestimmt:

Parameter des Materiehaushalts bestimmen Aussehen der Moden

Unser Universum ist euklidischeuklidisch (k=0)


CMB: ErgebnisseCMB: Ergebnisse

Höhe des ersten Maximums sensitiv auf Baryonen- und Materiedichte

Aber weitere Maxima vor allem sensitiv auf Materiedichte

Weitere Analyse: k nicht mehr als freier Parameter, sondern k=0

Daraus bestimmbar:


Super NovaeSuper NovaeSuper NovaeSuper Novae: Sternexplosionen am Ende der Lebenszeit eines Sterns

DetektionDetektion: alle 4 Tage wird der selbe Quadrant gemessen und ein Referenzbild abgezogen

Hier interessant: Super Nova Explosionen Typ Ia (SNIa)StandardkerzenStandardkerzen weil aus Modell für SN absolute Luminosität berechenbar => durch Vergleich mit gemessener Luminosität Abstand bestimmbar

Mit diesem Abstand und der Rotverschiebung zeitlichen Verlauf der Hubblekonstante („Expansionsgeschwindigkeit“) berechnen

Nur Differenz aus Materiedichte und Dunkler Energie bestimmbar

Grund: mehr Dunkle Energie beschleunigt Expansion, kann aber durch mehr Materie wieder gebremst werden => nur Differenz konstant


Super NovaeSuper NovaeKorrigierte Helligkeit

ErgebnisseErgebnisse:

Residuenplot

Gute Übereinstimmung mit CMB-Daten!


NukleosyntheseNukleosynthesePrimordiale Nukleosynthese (BBN): Entstehung leichter Elemente im frühen (3 min) Universum (Gamov 1946)

Aus der Elementarteilchenursuppe entstehen Protonen und Neutronen, die bei hohen Temperaturen über schwache WW im Gleichgewicht stehen

Bei sinkender Temperatur „freeze-out“ der Neutronen, β-Zerfall möglich, Beginn der Nukleosynthesekette mit Deuterium

Prozeß ist fast nur abhängig vom Baryon-Photon-Verhältnis

Photonendichte aus CMB-SpektrumAnpassung für Baryondichte möglich:



StrukturbildungStrukturbildung

2dF: Verteilung von ca. 220.000 Galaxien ermittelt

Galaxy Surveys zur Bestimmung von Entfernungen und Positionen von Galaxien

Ziel: statistische Analyse

Mittel dazu:Dichtekontrastfunktion

Als Fourietransformierte:

Betrachte wieder k-Moden im Leistungssprektrum


StrukturbildungStrukturbildungLeistungssprektrum abhängig von Materie- und Baryonendichte

ErgebnisErgebnis der Anpassung:


Weitere Einschränkung für Dunkle Materie: sie sollte „kalt“ sein, d.h. nicht relativistisch zum Zeitpunkt der Galaxiebildung

Baryonen verursachen „schwingen“ in der Kurve

Annahme Baryonendichte aus Strukturbildung:

Anpassen an Messdaten


ZusammenfassungZusammenfassung

WMAP Ergebnisse erfahren kaum Verbesserung durch Kombination mit anderen Messungen

Dennoch wichtig, da unabhängige Bestätigungen

Materiehaushalt des Universums:


MaterieformenMaterieformen� Photonen

� NeutrinosDurch Kombination von WMAP, Strukturbildung und Super Novae obere Grenze festlegbar:

Für Neutrinos mit Masse 0,0005 eV bis 1 MeV gilt:

� Leuchtende MaterieDurch Messung der Helligkeit des Universums Anteil der leuchtenden Materie an Materiehaushalt feststellbar:

Eine zu vernachlässigende Größe

Ebenso vernachlässigbar wie Photonen

Beste Erklärung: Gas im Intergalaktischen Medium (IGM)



3. TeilWelche Kandidaten für Dunkle Materie

gibt es und wie sucht man danach?

3. Teil3. Teil


KandidatenKandidaten

IdeenIdeen

WIMPsAxionenSchweres NeutrinoTopologische Defekte (Magnetische Monopole, Kosmische Strings)…


� Aus Nukleosynthese: Baryonen erklären Dunkle Materie nicht => Notwendigkeit nichtbaryonischer Materie

� Neutrinos sind zu leicht

Neue Teilchen braucht das Land

Anforderungen: � stabil auf kosmologischen Zeitskalen� geringe Wechselwirkung mit EM-Strahlung


WIMPsWIMPsWIMP= Weakly interacting massive particle

Kandidat mit diesen Eigenschaften: das LSP aus der SUSY Theorie

SucheSuche

Direkt:a) Beschleunigerb) Wechselwirkung kosmischer WIMPS

Indirekt (WIMP Anilierungsprodukte):a) Vernichtung in Gammas b) Vernichtung in Neutrinos

EigenschaftenEigenschaften

� Masse ungefähr zwischen 10 GeV und einigen TeV� Wirkungsquerschnitt vergleichbar mit dem der schwachen WW� „Freeze out“ vor normaler Materie


WIMPs: DirektWIMPs: Direkt

Weitere Probleme: kosmische Strahlung, natürliche Radioaktivität

Lösungen: Untergrundexperimente, Abschirmung natürlicher Radioaktivität des Gesteins, reine Detektormaterialien

Rückstoßenergien von 10 bis 100 keV

Schwierig, wegen der geringen Detektierungsrate Rate: 10-1 - 10-5 /kg/Tag


WIMPs: DirektWIMPs: Direkt

RWTH Aachen

Prof. Baudis

Bisher keine Signifikanz für kosmische WIMPs!


WIMPs: IndirektWIMPs: Indirekt

WIMPs werden von Himmelskörpern eingefangen => erhöhte Annilierung


WIMPs: IndirektWIMPs: IndirektIceCube Neutrino Teleskop mit Beteiligung der RWTH Aachen (Prof. Wiebusch)

Fertigstellung: 2011



"Es gibt eine Theorie, die besagt, wenn jemals irgendwer genau herausfindet, wozu das Universum da ist und warum es da ist, dann verschwindet es auf der Stelle und wird durch noch etwas Bizarreres und Unbegreiflicheres ersetzt. -Es gibt eine andere Theorie, nach der das schon passiert ist."

� Es gibt experimentele und theoretische Notwendigkeit für Dunkle Materie

� Wir wissen schon relativ viel über die Menge und was sie nicht ist

� Dunkle Materie wird nicht durch das Standard-Modell erklärt=> Standard-Modell unvollständig

� Dunkle Energie muss auch noch erklärt werden

Es gibt viel zu tun, packen wir‘s an!

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