Dunkle Materie - eine verständliche Einführung
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Dunkle Materie Dr. Marcel Blattner, [email protected]
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Dr. Marcel Blattner, [email protected]
Dr. Marcel Blattner, [email protected]
Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Galaxie
Galaxie-Cluster
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Folgendes Problem ist durch Beobachtungen aufgetreten:
Es fehlt Masse! Die Gravitation kann die Strukturen im Universum mit der bestehenden Masse nicht ‘stabilisieren’.
???
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Fritz Zwicky und der Coma-Haufen
Rotverschiebung Geschwindigkeit Masse Doppler-Effekt Virial-Theorem500 km/s - 1000 km/s
Typische Massen: 1014 - 1015 Sonnenmassen
M/L = 100 Ms/Ls
Leuchtkraft-Masse Beziehung liefert eine weitere Abschätzung der Masse
L ⇡ M3.5
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Vera Rubin und Rotationskurven
Vera Rubin um 1970 Carnegie Institute der Zugang nach Princeton wurde ihr verweigert
Vera Rubin untersuchte die Rotationskurven von Sternen in Galaxien. !Ihre Ergebnisse bestätigten den Befund von Fritz Zwicky’s Untersuchungen.
Dr. Marcel Blattner, [email protected]
Vera Rubin und Rotationskurven
Distanz
Ges
chw
indi
gkei
t
Kepler Rotationskurve
Rotations-Kurve für einen Festkörper
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Vera Rubin und Rotationskurven
Distanz
Ges
chw
indi
gkei
t
Beobachtet
Theorie
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Gravitations Linsen
Eine grosse Ansammlung von Massen lenkt Licht ab.
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Gravitations Linsen
Der Effekt wird durch die ‘Verkrümmung’
der Raum Zeit hervorgerufen.
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Gravitations Linsen
Die beobachtbare Masse reicht nicht aus, um Linseneffekte zu erklären.
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Beobachtungen geben Indizien für fehlende Masse
• Bewegungen von Galaxien in Galaxie Cluster • Rotationskurven von Sternen in Galaxien • Gravitations-Linsen
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Wo versteckt sich die dunkle Materie?
Überall: z.B. sphärisch um die Galaxien (Halo).
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Was nun? Folgende Optionen stehen zur Verfügung: !
A) neue Theorie der Gravitation (z.B. MOND) !
B) wir suchen die fehlende Masse !
C) wir ‘erfinden’ neue Masse
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen StrukturenWas nun? Folgende Optionen stehen zur Verfügung: !A) neue Theorie der Gravitation (z.B. MOND) !B) wir suchen die fehlende Masse !C) wir ‘erfinden’ neue Masse
A) neue Theorie der Gravitation (z.B. MOND) !Wurde durch Monti Milgrom eingeführt (1982). Kann die Gravitations-Kurven von Galaxien erklären.
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen StrukturenWas nun? Folgende Optionen stehen zur Verfügung: !A) neue Theorie der Graviation (z.B. MOND) !B) wir suchen die fehlende Masse !C) wir ‘erfinden’ neue Masse
B) wir suchen die fehlende Masse !Neutrinos, braune Zwerge und andere ‘dunkle’ Objekte
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Die Gravitation ‘macht’ die grossen StrukturenWas nun? Folgende Optionen stehen zur Verfügung: !A) neue Theorie der Graviation (z.B. MOND) !B) wir suchen die fehlende Masse !C) wir ‘erfinden’ neue Masse
C) wir ‘erfinden’ neue Masse !WIMP’s: weakly interacting massive particles sind zur Zeit die ‘besten’ Kandidaten.
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Wir ändern die Theory (MOND)
Newton: Kraft = Masse x Beschleunigung !
MOND: Kraft = Masse x Beschleunigung x Faktor
v = Gm0a0F = maµ(a/a0)a
Geschwindigkeit hängt nicht mehr vom Abstand ab (flache Rotationskurve)
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Wir suchen die fehlende Masse MACHOs
Braune Zwerge, weisse Zwerge und Neutronensterne
MACHOs können nur ca. 20% der fehlenden Masse erklären.
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Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
• keine elektromagnetische WW • gravitative WW • stabil (ohne starke WW)
Diese Teilchen existieren im Standardmodel nicht!
Die Materie ist nicht baryonisch
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Direkte NachweismethodeDer direkter Nachweis der dunkle Materie erfolgt über dieelastische WIMP-Kernstreuung. Dabei wird die Energie desRückstoßkern beobachtet.
Wichtig nur elastischeWIMP-Kernstreuung.
Keine inelastische WIMPStreuung, da diekinetische Energie zugering ist.
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Jährliche Modulation der Streurate
Durch Überlagerungvon Geschwindigkeits-vektor v
S
der Sonneund v
E
Erde bewegtsich der Erdeunterschiedlich schnelldurch die WIMPs.
Modulation derStreuratenDieser Effekt ist ca⇠ 2 � 7% groß
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Modulation der Streuraten durch unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten
WIMPs - Erde zu verschiedenen Jahreszeiten.
Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Experimente zum Nachweis von DM
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• Detektionsprinzip: NaJ Szintillation • Stossmaterial: 250 kg NaJ • Auslese: Detektion über Licht • Ziel: Messung der jährlichen modulierten
Streurate
Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Modulation wurde nachgewiesen. Resultate sind aber umstritten.
Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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• Modulation durch Einfluss der Temperatur (Sommer/Winter) • Untergrundstrahlung kann nicht ausgeschlossen werden
da nur ein Detektionsprinzip verwendet wurde • Kein anderes Experiment kann dieses Phänomen beobachten
Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Bis jetzt gibt es keine schlüssigen Resultate und die dunkle Materie
bleibt soweit “dunkel”.
Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
