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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. anziehend Dunkle 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

    Perlmutter Schmidt Riess Nobelpreis 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 ab mit der Zeit.

  • Gibt es ein perfektes Vakuum?

    Antwort: NEIN, auch wenn man die Magdeburger Halbkugeln absolut 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 kann diese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden (erlaubt durch Heisenbergsche Unsicherheitsrelation)

  • Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar?

    Vakuumfluktuationen machen sich bemerkbar durch: 1) Lamb shift 2) Casimir Effekt 3) 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 Standardmodell 1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie

    Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3

  • Vakuumenergie  abstoßende Gravitation (nach Newton)

    Expansion mit Geschwindigkeit v=R´=dR/dt

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

    E= ½mv2-GmM/R = ½mR´2-Gm(4R3/3)/R

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

    M m R

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

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

    Vakuumenergie: ´ = 0 Beschleunigung: R´´= 8GR/3 Solution: R=R0et/ mit =3/8G 1/H0  013.8.109 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 oder Supernovae 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 p sichtbar 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 Materie aus 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!

    sichtbares Gas

  • 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“ sind Quantenfluktuationen?

    Zusammenfassung bisher

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

    „Dunkle Materie“ sind WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) Supersymmetrische Partner der Photonen? LHC und Raumfahrtexp. AMS-02 werden dies zeigen?

  • Direkter Nachweis von WIMPs

    χ χ

    Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p größer als Kernradius, so es kann einzelne Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an

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

    ER ~ Ekin (1 - cos)

    Neutralino kann wegen R-Paritätserhaltung NUR elastische Streuung an Kernen durchführen

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

    Kern wird aus dem Gitter gestoßen 

    Ionisation Erwärmung (Phononen) Kernanregung  Szintillation

  • Experimente zur Suche nach DM CRESST ROSEBUD CUORICINO

    CRESST II ROSEBUD

    CDMS EDELWEISS

    Phonons

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

    DAMA ZEPLIN I UKDM NaI LIBRA

    XENON ZEPLIN II,III,IV

    HDMS GENIUS IGEX MAJORANA DRIFT (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 d en

    si ty

    , G rie

    st , P

    R 1

    99 5

    WMAP -> h2=0.1130.009 -> =2.10-26 cm3/s

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

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

    T=M/22C om

    ov in

    g nu

    m be

    r

    x=m/TJ un

    gm an

    n, K

    am io

    nk ow

    sk i,

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

    Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

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

  • Vernichtung der dunklen Materie  Antimaterie!

    DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antite