Hauptseminar Experimentelle Teilchenphysik und Kosmologie Indirekter Nachweis von Dunkler Materie Von Detlef Kramczynski

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  • Hauptseminar Experimentelle Teilchenphysik und Kosmologie Indirekter Nachweis von Dunkler Materie Von Detlef Kramczynski
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  • Inhaltsangabe: Die EGRET-Messung CGRO Gammastrahlen Der Exzess Erklrungsversuch DM-Annihilation ? Allgemeines zur Dunklen Materie Entstehung und Vernichtung Argumente pro Energiebereich Homogenitt Die Ringe Argumente contra Verschiedene Einwnde
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  • 1. Die EGRET-Messung a) Der CGRO-Satellit (Compton Gamma Ray Observatory) Daten gesammelt von 1991 bis 2000 Insgesamt 4 Messinstrumente an Bord, eines von ihnen ist EGRET EGRET ma die Gammastrahlung des Sternenhimmels aus, bezglich Richtung und Impulshhenspektrum. Darstellung:
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  • - im SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) durch monochromatische Gammastrahlen von 30 MeV bis 30 GeV geeicht - Messbereich von 20 MeV bis 10 GeV, Energieauflsung 20%. - maximale Ortsauflsung 5 30 Bogenminuten (je nach Frequenz), bei Messung wurde ber 0,5x0,5 - Pixel gemittelt b) Gammastrahlen Natrlicherweise entstehen Gammastrahlen unter anderem durch folgende Prozesse: Inverse Comptonstreuung: e - (E gro) + (E klein) -> e- (E klein) + (E gro) Bremsstrahlung: e- (E gro) + N -> e- (E klein) + +N Protonenkollision: p+p -> 0 + R -> + R (Kernzerfall: N* -> N + )
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  • Vorteil bei Messung von Gammastrahlung: Im Gegensatz zu geladenen Teilchen (Protonen, Elektronen, Positronen...), werden Gammastrahlen nicht durch galaktische Magnetfelder beeinflusst. Daher wei man, dass die Richtung der Gammastrahlen auf ihren Herkunftsort zurckweit. Um lokale Unregelmigkeiten zu vermeiden, wurden die bekannten galaktischen (z.B. Gamma-Ray-Bursts) und extragalaktischen Gamma- Punktquellen (z.B. Galaxienzentren) bei der Auswertung nicht beachtet.
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  • c) Der Gamma-Exzess Obwohl man fr die Auswertung den extragalaktischen Hintergrund herausgerechnet hatte (Christian Sanders, 2005), zeigte sich deutlich, dass die Intensitt der Gammastrahlung im hochenergetischen Bereich ber den theoretischen Erwartungen lag. Freie Normalisierung bedeutet, dass fr jedes Impulshhenspektrum ein individueller Normierungsfaktor verwendet wird. Dadurch gengt es, die Kurvenformen miteinander zu vergleichen. Bei Erklrungsversuchen kann man daher die genaue Dichteverteilung vernachlssigen. Zunchst wurden alle gemessenen Spektren frei normalisiert, um sie unabhngig von ihrem Herkunftsort vergleichen zu knnen.
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  • Mittels einer GALPROP-Simulation wurde ein theoretisches Spektrum fr die Massen- und Gasverteilung der Milchstrae aufgestellt. Dabei wurden die verschiedenen Elektron- und Proton-Gammastrahlen gem ihrer relativen Intensitt im Solarsystem aufaddiert. Anschlieend hat man diese Kurve an die frei normalisierten Messwerte im niederenergetischen Bereich angepasst. Fr die Analysen wurde schlielich nur der Energiebereich oberhalb von 70 MeV betrachtet. Unterhalb dieser Grenze besitzen die elektronischen Strahlungen eine hhere Amplitude, als die Gammastrahlung aus dem 0 - Zerfall. Es zeigte sich, dass bei diesem (konventionellen) GALPROP-Modell der Gamma-Exzess brig bleibt. Es wurde auch ein optimiertes Modell errechnet, in dem die Amplituden der Elektronen- und Protonen- Gammaspektren so abgestimmt sind, dass sich ein passender Fit ergibt. Dieses Modell liefert aber keine guten Fits, wenn man weitere, beliebige EGRET-Spektren damit vergleicht.
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  • d) Erklrungsversuch Wenn man die Differenz zwischen dem theoretischen Wert und dem Messwert nun betrachtet, dann sieht man, dass es eine Gammaquelle unbekannter Herkunft geben muss. Beispielrechnungen haben gezeigt, dass sich die zustzliche Gammastrahlung durch die Annihilation zweier schwerer Teilchen von 50 GeV 100 GeV Masse zu 0 Mesonen erklren lsst. Diese erzeugen bei ihrem Zerfall dann die zustzlichen Gamma-Quanten.
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  • 2. DM-Annihilation ? a) Allgemeines zur DM Unter Dunkler Materie (DM) versteht man eine Form gravitativer Masse, die nicht mit Photonen interagiert. Sie ist nur durch ihre Gravitationskraft bemerkbar und wurde auch so erstmalig entdeckt: Als Irregularitt in der Bewegung der Galaxien des COMA- Clusters. Dunkle Materie besitzt nur eine geringe Anzahldichte. Da die DM-Teilchen nur sehr kleine Wirkungsquerschnitte haben, nennt man sie auch WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Diese Teilchen sind groteils nichtrelativistisch (cold dark matter), da sonst die Anisotropie der CMB grer wre.
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  • Die Supersymmetrie (SUSY) liefert die theoretische Vorhersage von neuen Elementarteilchen im hohen Energiebereich, welche als Zwillinge der bekannten Elementarteilchen angesehen werden knnen. Die leichtesten dieser Teilchen knnten der DM entsprechen knnten. Zwei dieser Kandidaten wren das Photino (entspricht einem Photon mit Spin ) und das Neutralino (ein Majorana-Teilchen mit Spin ). b) Entstehung und Vernichtung Da die DM im Universum so wie die bekannte Materie aus Energie entstanden ist, muss sie sich auch wieder in Energie umwandeln (lassen) knnen. Dies ist auch geschehen, da sich ihre Anzahldichte seit ihrem freeze-out um den Faktor 10 verringert hat. Dies kann durch Zerfall oder Annihilation geschehen.
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  • Die Zerfallsvariante scheidet aus, da die DM sonst komplett htte verschwinden mssen. Sie besitzt folglich eine Lebensdauer von etwa dem Alter des Universums. Wenn die WIMPs also stabil sind, dann mssen sie sich gegenseitig annihilieren knnen. Kurz nach dem Urknall war die Teilchendichte sehr hoch, was Annihilation begnstigt hat. Das Universum dehnte sich jedoch beschleunigt aus und irgendwann berstieg die Expansionsrate die Annihilationsrate. Dies bezeichnet man als freeze-out. Erst als sich durch die Gravitation Strukturen bildeten, kam es wieder zu Zusammenballungen von DM. Dies begnstigte wieder Annihilation.
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  • Es gibt drei Arten von -Mesonen: + (u dquer), - (uquer d) und 0. Letzteres ist eine berlagerung zweier Zustnde und zerfllt direkt in 2 Photonen, ohne weitere Zerfallskanle. Falls nun aus der WIMP-Annihilation diese 0 -Mesonen und damit die Photonen entstehen, so entsprechen diese in etwa der Massenenergie der WIMPs, da diese ja nicht-relativistisch waren. Mann erhlt ein Spektrum, das bei der Ruheenergie der WIMPs endet. Diese Gamma-Quanten knnen von den Gamma-Quanten aus anderen 0 - Mesonen unterschieden werden, da diese hauptschlich durch Proton- Proton-Kollisionen enstehen. Diese Zerfallskanle und Spektren sind aus Fix-Target-Experimenten (Protonen und H 2 ) in Teilchenbeschleunigern bekannt. Wenn nun die WIMPs sich gegenseitig annihilieren, so knnen verschiedene bekannte Elementarteilchen wie Baryonen, Mesonen, Leptonen, Photonen und Neutrinos entstehen. Von besonderem Interesse ist hier das 0 -Meson.
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  • 3. Argumente pro a) Der Energiebereich Die leichtesten SUSYElementarteilchen gelten als stabil und potentielle WIMP-Kandidaten. Ihr Energiebereich liegt bei 50 GeV 100 GeV. Wenn man daraus das Annilihationsspektrum berechnet, so kann man dieses leicht in die frei normalisierten Messkurven eintragen. Wie man sieht, kann daraus gute Fits erzielen. Der beste Fit ergab sich fr eine WIMP-Ruhemasse von 60 GeV.
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  • b) Die Homogenitt Bemerkenswert ist, dass dieser Gamma-Exzess in allen Richtungen vorliegt. Dies spricht dafr, dass man es mit einem universalen Phnomen zu tun hat. Aus den Rotationskurven verschiedener Galaxien hat sich ergeben, dass diese von einem gewaltigen Halo (bis zu mehrere Hunderttausend Lichtjahre Durchmesser) aus Dunkler Materie umgeben sind. In diesem Bild ist eine Simulation der vermuteten Dichteverteilung der Milchstrae gezeigt. Die Dichte ist dabei auf einer logarithmischen Farbskala aufgetragen, die Kantenlnge des Bildes entspricht 540 kpc (~1,74 Mio Lj)
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  • c) Die Ringe Die wohl eindeutigste Verbindung von Theorie und Messung ist hier der Nachweis der Massenringe bei 4 kpc und 14 kpc in der Milchstrae. Da insgesamt 180 EGRET-Spektren untersucht wurden, ist es mglich eine Dichteverteilung der DM in der Milchstrae anzugeben. Man fand nun (in der Kantensicht) eine Verteilung, die auf zwei grorumige DM-Ringe schlieen lsst. Blau: Dichteverteilung Rot: uerer Ring Grn: innerer Ring Gelb: Sol
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  • Tatschlich wurden in den fraglichen Gebieten groe Vorkommen an Wasserstoff beobachtet. Besonders im Bereich des inneren Rings gibt es grorumige Staubstrukturen, in deren Schutz sich neutraler Wasserstoff gebildet hat. Wenn man nun fr die WIMPs eine Masse von 60 GeV annimmt, so kann man zusammen mit der Anzahldichte die Massen der Ringe berechnen. Es ergeben sich innen 9 Mrd. Sonnenmassen und auen 90 Mrd. Sonnenmassen. Mit dieser Kenntnis kann man nun eine Poisson-Gleichung aufstellen und (numerisch) lsen. Man erhlt so eine Rotationskurve der Milchstrae.
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  • Wie man deutlich sieht, stimmt die gemessene Rotationskurve mit der berechneten berein. Die Mulde stammt daher, dass der uere Ring an seiner Innenseite der Gravitationskraft des Galaxiszentrums entgegenwirkt. Man vermutet, dass diese Ringe daher stammen, dass die Milchstrae frher einmal eine Zwerggalaxie eingefangen hat. Bei ihrem exzentrischen Um- und Durchlauf durch das Gravitationsfeld der Milchstrae wurde die Zwerggalaxie in Stcke gerissen. Die Gezeitenkrfte gehen dabei mit 1/r .
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  • 4. Argumente contra a) Kalibrierung Die Missionsdauer von CGRO und EGRET betrugen 9 Jahre. Da ist es mglich, dass es zu systemati