März 30, 2006 DPG Tagung, Dortmund W. de Boer, Univ. Karlsruhe 1

Dunkle Materie, was ist das?

We don’t know it,because we don’t see it!

Siehe auch: Bild der Wissenschaft,April, 2006

WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov,EGRET excess of diffuse Galactic Gamma Rays as Tracer of DM, astro-ph/0508617, A&A, 444 (2005) 51

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Thermische Geschichte der WIMPs

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22Com

ovin

g nu

mbe

r den

sity

x=m/T

Jung

man

n,K

amio

nkow

ski,

Grie

st, P

R 1

995

WMAP -> Ωh2=0.113±0.009 ->=2.10-26 cm3/s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈105 .DMA (∝ρ2) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fTf+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate ≅ Expansions-rate, i.e. Γ=nχ(xfr) ≅ H(xfr) !)

Annihilation in leichteren Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> π0’s -> Gammas!

Einzige Annahme dieser Analyse:WIMP = thermisches Relikt

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DM Annihilation in Supersymmetrie(siehe Vortrag von C. Sander)

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

f

f

f

f

f

f

Z

Z

W

Wχ± χ

0

f~ A Z

≈37 gammas

B-Fragmentation bekannt!Daher Spektren der Positronen,Gammas und Antiprotons bekannt!

Dominant χ + χ ⇒ A ⇒ b bbar quark pair

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik

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Diffusive Galaktische Gammastrahlen als Tracer der DM(EGRET Daten auf NASA Webseite öffentlich zur Verfügung)

EGRET Parameter:Energiebereich: 0.02-30 GeVEnergie Auflösung: ~20%Effektive Fläche: 1500 cm2Winkelauflösung:

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Der EGRET Überschuss der diffusen galaktischenGammastrahlen ohne und mit DM Annihilation

π 0π 0

WIM

PS

IC Brems

IC Brems

Anpassung der Form von BG + DMA, d.h. 1 or 2 Parameter FitKeine GALAKTISCHE Modelle für absolute Flüsse notwendig. Keine Propagationseffekte für Gammastrahlen.

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Form des Untergrundes?

No SM

Electrons

No SM

Protons

Quarks fromWIMPS

Quarks in protons

Untergrund von kosmischen Strahlen ( p+p-> π0 + X -> γ + X=inverse Compton Streuung (e-+ γ -> e- + γ)Bremsstrahlung (e- + N -> e- + γ + N)

Form des Untergrundes bekannt, wenn Spektren der kosm. Strahlung bekannt

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Beiträge der kosmischen StrahlenPYTHIA processes:

11 f+f' -> f+f' (QCD) 2370 12 f+fbar -> f'+fbar' 0 13 f+fbar -> g + g 0 28 f+g -> f + g 213068 g+g -> g + g 151053 g+g -> f + fbar 20 92 Single diffractive (XB) 1670 93 Single diffractive (AX) 1600 94 Double diffractive 70095 Low-pT scattering 0Prompt photon production:14 f+fbar -> g+γ 018 f+fbar -> γ +γ 029 f+g -> f +γ 1115 g+g -> g + γ 0114 g+g -> γ + γ 0

2 GeV48

16

3264

diff.

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Unsicherheit in Form des Untergrundes und DMA

Blue: background uncertainty

Background + DMA signal describe EGRET data!

Blue: WIMP mass uncertainty

50 GeV

70

Brems .

ICWIM

PS

π 0

IC

π0 WIM

PS

Brems .

IC

Blau: Unsicherheit desUntergrundes

Blau: Unsicherheit derWIMP Masse

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Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen

A: inner Galaxy (l=±300, |b|

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Fits für 180 statt 6 Regionen180 regions:80 in Längengraden.⇒ 45 bins4 bins in Breiteng. ⇒ 00

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Verteilung der DM

x y

z

2002,Newberg et al. Ibata et al, Crane et al. Yanny et al.

1/r2 profile and ringsdetermined from inde-pendent directions

xy

xz

Expected Profile

v2∝M/r=kons.und

ρ∝(M/r)/r2ρ∝1/r2

für konst.Rotations-

kurveDivergent für

r=0?NFW∝1/r

Isotherm konst.

Halo Profil

Outer Ring

Inner Ring

bulge

totalDM

1/r2 halodisk

Rotation Curve

Normierung auf vSonne 220 km/s

Observed Profile

xy

xz

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Rotation curve of Milky Way

Honma & Sofue (97)Schneider &Terzian (83)Brand & Blitz(93)

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Wie sehen Rotationskurven anderer Galaxien aus?

Sofue & Honma

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Innerer Ring fällt mit Ring aus Staub und H2zusammen ->Potentialtopf der Gravitation

H2

H+H->H2 in Anwesenheit von Staub ->Potentialtopf der Gravitation bei4-5 kpc.

Überdichte der inneren (äusseren) Ring über 1/r2 Profil 6 (8).Masse der Ringe 0.3 (3)% der totalen Masse

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Längengradverteilung für 1/r2 Profil mit/ohne Ringeohne Ringe

DISC

50

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Clustering der DM -> Boost der Annih. RateAnnihilation ∝ Quadrat der DM Dichte

2 Klumpen durch Gezeitenkräfte(z.B. fly by von Sternen) im Zentrum zerstört, d.h. B(R,ρ

Clump

densi

tyRadiusGalaxy

P(r

Siehe Vortragvon M. Weber

Klumpen mit Mmin -> dominanterBeitrag -> viele Klumpen in bestimmter Richtung ->daher gleicher Boostfaktorin allen Richtungen

Clustergröße: ≈ SolarsystemMmin ≅ 10-8 -10-6 MּסHaloanteil in Klumpen: 0.05-0.5From Berezinsky, Dokuchaev, EroshenkoBoost factor ∼ /2 ∼ 20-2000

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Positronen und Antiprotonen aus DMAabhängig von Galaktischen Magnetfeldern etc.

(siehe Vortrag von I. Gebauer)

Positrons AntiprotonsPositronsVery preliminary

SignalBackgroundSignal

Background

Gleiche Halo- und WIMP Parameter wie für GAMMA Strahlen aberFlüsse abhängig vom Propagationsmodell mit vielen Parametern:Anisotropie der Magnetfelder, Konvektion, anisotrope Diffusion, etc.

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ZusammenfassungEGRET Überschuss kann:

1) Haloprofil bestimmen2) damit äussere Rotationskurve erklären.(hier gibt es kaum baryonische Materie) 3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV) 4) Statistische Signifikanz > 10 σ!

Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!

Resultat praktisch modellunabhängig, denn nur bekanntespektrale Formen des Signals und Untergrundes benutzt,keine modellabhängige Flussberechnungen! Modelle OHNE DM können nicht Spektren in ALLENRichtungen gut bestimmen und liefern keine Erklärung für Rotationskurve und Ringstrukturen bei 4 und 14 kpc.

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Objections from astrophysicists

Astrophysicists: They prefer “local bubbles” instead of ‘exotic’ DM models

Answer:too bad, but the “local bubbles” or “optimized models”do not work too well if one considers all sky directions

Predictive power of such propagation models limited, if local CR spectrum not representative for Galaxy.

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Optimized Model from Strong et al. astro-ph/0406254Change spectral shape of electrons AND protons

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

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

π 0ICBrems

χ2 of optimized model:110/42 ⇒ Prob. < 10-7

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Fits for “optimized” Model including DM

3 Components: galactic background + extragalactic background + DM annihilation (with same WIMP mass and same boostfactor). Fit probability of optimized model improves from 10-7 -> 0.8 with DMA.

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

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

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Objections from particle physicists

Particle physicists:you assume spectrum of protons to be the same everywhere in galaxy. How can you be sure?

Answers: 1) If centre of galaxy would be different because of SN there is no reason to get same shape of excess in outer galaxy (very few SN)

2) Proton energy loss times >> diffusion time, so very hard to image locally strong changes in spectral shape

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Objections from astronomers

Astronomers: outer rotation curve determined with different method than inner rotation curve. Hard to compare. Furthermore slope depends on distance to centre (R0)

R0=8.3kpc

R0=7.0v

R/R0

Innerrotationcurve

Outerrotationcurve

Black hole at centre: R0=8.0±0.4 kpc

Sofue &HonmaAnswer: First pointsof outer rot. curvein perfect agreementwith inner rot. curve.CHANGE in slope forany R0

Thermische Geschichte der WIMPsDM Annihilation in Supersymmetrie(siehe Vortrag von C. Sander)Diffusive Galaktische Gammastrahlen als Tracer der DM (EGRET Daten auf NASA Webseite öffentlich zur Verfügung)