Post on 05-Apr-2015
Thomas LohseHumboldt-Universität zu Berlin, WS 2012/13
Dunkle Materie:
Kurze Einführung
Die heutige Teilchenphysik
HHiggs
Das Standardmodell
…und Antimaterie
HHiggs
Atomkerne
Atomhüllen
aus radioaktiven
Zerfällen
schwache Kraft
elektromagnetische Kraft (Photon)
starke Kraft (Gluon)
HIGGS BOSONUrsprung der
Massen?
Das Standardmodell
Der Urknall im Labor
Der LHC Beschleunigerkomplex
LHC 2012:27 km UmfangKollisionen von 4 TeV Protonent 50 ns zwischen Paket-Kollisionen20 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision
Der LHC Beschleunigerkomplex
ATLAS-Detektor:Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …
Der LHC Beschleunigerkomplex
CMS-Detektor:Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …
Der LHC Beschleunigerkomplex
Supraleitende Doppel-Dipolmagnete
im LHC-Tunnel
L 15 m, M 30 t, B 8,33 TMagnetische Energie: 10 GJTemperatur: 1,9 KKühlung: superfluides Helium170 kW-Kryogenik @ 4,5 K93 Tonnen Helium-Vorrat40000 t kalte Masse im Tunnel
CERN Control Centre
Das Detektorprinzip
Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …
CERN
4. Juli 2
012CERN
4. Juli 2
012
Ereigniskandidat: H →
Masse ( ) - Verteilung
ATLAS CMS
Wissen wir damit schon
viel?
22% Dunkle Materie
74% Dunkle Energie
4% Materie des Standardmodells
Ist da sonst gar nichts mehr?Das Weltall – Unendliche Weiten
Doch! Wir kennen mal gerade 4%!
Evidenz für die Existenz von
Dunkler Materie
Fritz Zwicky (1898 bis 1974)
Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933)
Coma Galaxienhaufen
APOD, 2.5.2010, Dean Rowe
Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem
Der Haufen müsste das 400-fache an
Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein!
Dunkle Materie und Rotation von Galaxien
rv(r)
Galaxiemasse M
r
vFF
r
M 2
Zentrif.G2
Galaxien-Rotationskurven
r
1rv
const.rv
Galaxie ist einen Riesenball
unsichtbarer Dunkel- Materie ... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen
Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen
Galaxien im sichtbares Licht
Heißes Gas (Röntgenstrahlung)
Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt)
NASA/CXC/CfA/STScI
Folgerungen (I)
DM-Teilchen
• senden keine elektromagne-tische Strahlung aus,
• sind elektrisch neutral,
• spüren keine Kernkraft.
DM-Teilchen unterliegen
• der Gravitationskraft
• und eventuell anderen “schwachen” Wechselwirkungen
The Sloan Digital Sky Survey
Folgerung (II):
Großräumige Strukturen der Galaxienverteilung weist auf massereiche (→ langsame) Dunkle Materie-Teilchen hin!
2 Milliarden Lichtjahre
Deklinations-winkel
1.251.25
Was ist Dunkle Materie?
Populärste Hypothese:
• schwach wechselwirkende neutrale Teilchen
• langsame, massereiche Teilchen ( keine Neutrinos!)
WIMPsWeakly Interacting Massive Particles
Theorie 1: Supersymmetrie (SUSY)
SUSY-Spiegelquark
Spin ½
squark
Spin 0Spin 1
gluon
Spin ½
gluino
Spin 1 / 0
photon Z Higgs-Bosonen
neutralinos Spin ½1χ~
2χ~3χ~
4χ~stabil, DM-Kandidat
Theorie 2: Zusatzdimensionen (Kaluza Klein Anregungen)
3-D-Raummikroskopisch
kompaktifizierte Zusatzdimension(en)
Standard-Teilchen
Keine Quantenanregung in Zusatzdimension(en)
Kaluza Klein Anregungen
zunehmende Masse
WIMP leichteste (neutrale, stabile) Kaluza Klein Anregung
Wie sucht man Dunkle Materie?
LHC
Wechselwirkung (jenseits
Standardmodell)
SM-Teilchen
SM-TeilchenWIMP
WIMP
direkte Suche
indirekte Suche
DM-WIMP
DM-WIMP
NeutrinoElektron
Jet
Jet
Jet
Jet
Jet
1χ~e eν
q 1χ~
q~ q
1. WIMP-Suche am LHCBeispiel: Erzeugung von squarks und gluinos
p pgluino
squark
g~
q~
q2χ~ q
q1χ~
undetektiert
undetektiert
•5 Jets•1 Elektron•fehlende
Energie
Vorsicht Untergund: z.B. WJetspp
eνe
Isoliertes Elektron, Jets, E
e
E
jetjet
jetjet
jet
bisher kompatibel mit Untergrund
2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde
WIMP
Atomkern im Detektor
aus dem Weltall Rückstoß
Energie ≲ 100 keV
zurück ins Weltall
Detektoren:•extrem sensitiv•extrem rein•hoch-
abgeschirmt
Ionisation / Phononen / Photonen
Direkte WIMP-Suche weltweit
Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso)
10 kg KristalleCaWO4
Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer
supraleitende Phasenübergangs-Thermometer (SPT) aus Wolfram
Detektormodul bei < 10 mK
Phonon
Licht
Phononen Licht
WIMP
Unter-grund
✔✔ ✔
-
Resultate liefern noch kein konsistentes Bild…
beste Obergrenze
positive Signale
3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall
WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren:
Zentrum unserer Milchstraße
Zentrum unserer Sonne
NASA
Zwerggalaxien
WIMP
WIMP
γνν,
e
p
e
p
Charakteristische Hochenergie-Strahlung:
γνν,
e,p
Gamma-Strahlung
Neutrino-Strahlung
Antimaterie-Strahlung
Nachweis auf der Erde ?
Antimaterie aus dem Weltall
Alpha Magnetic Spectrometer
on ISS
Positron-Anomalie von PAMELA
PAMELA-Satellit
ee
?• WIMP-Annihilation?• Astrophysikalische
Positron-Quelle (naher Pulsar)?
Positronen durch kosmische Strahlung
IceCube Neutrino-Detektor am Südpol
H. Kolanoski Humboldt-Universität
WechelwirkungDetektor
Neutrino
Neutrino-Nachweis
Myon
IceCube
WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne
νAlle Teilchen außer
Neutrinos werden in der Sonne absorbiert
Bisher noch kein Signal…
Höchstenergetische Gammastrahlung
H.E.S.S. Cherenkov-Teleskop
Khomas Hochland, Namibia
Fermi-Satellit
~150 pc
Galactic CentreHESS J1745290
SNR G0.90.1HESS J1747281
TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum
supermassives schwarzes Loch
...Punktquellen subtrahiert
erste aufgelöste Detektion diffuser TeV--Strahlung Kosmische Strahlen wechselwirken in Molekülwolken
Molekülwolken Dichteprofil
HESS J1745290
TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum
Schwierig: viele astrophysikalische Gamma-Quellen!
Gammastrahlung vom galaktischen Halo
Zentrum
Fermi-Bubbles
Gammastrahlung vom galaktischen Halo
NASA's Goddard Space Flight Center
Gamma-Linien aus den Fermi Bubbles?
galaktische Länge 5 galaktische Breite 5
WIMP WIMP → MWIMP 130 GeV
WIMP WIMP → Z
M. Su, D.P. Finkbeiner, arXiv:1207.7060v1 [astro-ph.HE]
Fazit• Neues Boson (125 GeV) entdeckt! Higgs-Teilchen?
• Komplettierung des Standardmodells oder Schlüssel zur Supersymmetrie (Neutralinos, WIMPs)?
• Noch keine Anzeichen für WIMPs am LHC…
• …aber viel Aufregung bei der Suche nach WIMPS aus dem Weltall.
Wir leben in einer spannenden Zeit! Wie spannend, soll das Seminar zeigen!