Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki. Kosmologische Dichte: mittlere Dichte im Weltall - kritische...
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Dunkle Materie
von Hendrik Glowatzki
Kosmologische Dichte:c
mittlere Dichte im Weltall -
kritische Dichte -G
Hc
8
3 2
Wiederholung: Kosmologische Dichte
einige exemplarische Ergebnisse
Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 < < 0,3
Fluchtgeschwindigkeitsfelder: 0,25 < < 2
Baryonische Dichte über Luminosität: b < 0,03
Dunkle Materie?Dunkle Materie?
Aufteilung
Heutige Annahme:
70% dunkle Energie
30% Materie 90% dunkle Materie
10% gewöhnliche Materie
nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!
Übersicht
• Hinweise
• Kandidaten
• Experimenteller Nachweis
Hinweise auf dunkle Materie
• Rotationskurven von Spiralgalaxien
• Elliptische Galaxien
• Dynamik von Galaxienhaufen
• Hinweise aus Kosmologie
Rotationskurven von Spiralgalaxien
Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?
Stabile Kreisbahn:
Zr
G Fr
mv
r
GmMF
2
2
r
GMrv r
Mr – Gesamtmasse innerhalb Radius r
Berechnung allgemein
innerhalb: kugelförmiger „bulge“
3
3
4rM r
rrv
außerhalb: Gesamtmasse
constMM Galaxier
r
rv1
konkrete Berechnung
Bild von Theorie
experimentell:
constrv
rM r
!
Experimentell
Sphärischer Halo aus dunkler Materie?
Elliptische Galaxien
Gashalo
Röntgenabsorption: Gashalos mit 107 K
Gasmoleküle lägen über Fluchtgeschwindigkeit
Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungenüber dem der Sonne
Dunkle Materie?Dunkle Materie?
Dynamik von Galaxienhaufen
Virialsatz
Virialsatz: 02 potkin EE
2
2
1mvNEkin
r
mNGNE pot
2
)1(2
1
NN 1mit und MmN
G
vrM
22
Messung
Messung: Masse liegt 2 Größenordnungen höherals von Leuchtkraft zu Masse berechnetem Wert
Dunkle Materie?Dunkle Materie?
Hinweise aus der Kosmologie
Flachheitsproblem
Flachheitsproblem:
Heutiges Universum extrem flach
Muss früher noch viel flacher gewesen sein
Warum war das Universum so flach?
Inflation!
erfordert = 1
Galaxienentstehung
Galaxienentstehung:
Galaxien aus Dichteinhomogenitäten entstandenStrahlung und Materie bei 3000 K entkoppeltDichteinhomogenitäten erst später entstanden
Zeit reicht nicht zur Bildung heutiger Strukturen
Massive Teilchen, die früher entkoppelten undKondensationskeime bildeten?
Kandidaten
• Alternativen
• Baryonische dunkle Materie
• Nicht-baryonische dunkle Materie
Alternativen
Kosmologische Konstante :
Einstein: für statisches Universum eingeführtNach Entdeckung der Expansion meist = 0
Heute: als Energiedichte des Vakuums
Zeitabhänge Gravitationskonstante:
G(t) hätte anderes b zur Folge
Aber: Keine Energieerhaltung !!!
Dunkle Energie
MOND-Theorie
MOND-Theorie:
Annahme: Gravitationsgesetzt nicht universell gültig
r
GMa
r
GMaG
0
2
(modified Newtionian dynamics)
Baryonische Dunkle Materie
Gewöhnliche baryonische Materie
MACHO’s (Massive Compact Halo Objekts)
Braune Zwerge
Braune Zwerge:
Objekte mit kleiner Masse Keine Kernfusionz.B. Planeten
Mangelnde Kenntnis über Entstehung
Weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher:
Endprodukte eine Sternenlebens
Materie teilweise wiederverwendetLeichte Sterne größere Lebensdauer als Universumalter
Nicht-baryonische dunkle Materie
WIMP’s (weakly interacting massive particles)
COBE und QDOT IRAS:
30% heiße und 70% kalte dunkle Materie
Heiße dunkle Materie
Leichte Neutrinos:
Vorteil: leichte Neutrinos bekannt
bereits geringe Masse hätte gravierendeAuswirkung auf Dynamik des Universums
Neutrinos haben bei T= 1010 K entkoppelt heiße dunkle Materie
Kalte dunkle Materie
Schwere Neutrinos:
Theoretisch mögliche TeilchenBei Entkopplung bereits nicht-relativistisch
kalte dunkle Materie
Axionen:
hypothetische Teilchen aus Symmetriebrechungim starken CP-Problem
Axion-Hintergrundfeld
Supersymmetrische Teilchen
Supersymmetrische Teilchen:
hypothetische Teilchen aus SupersymmetrieBoson-Fermion-Symmetrie
nur schwache Wechselwirkung
Mögliche SUSY-Teilchen für dunkle Materie:Photino, Higgsino, Zino, sNeutrino, Gravitino
Bislang kein Nachweis( Beschleunigerexperimente)
Nachweis
• MACHO‘s
• Axionen
• WIMP‘s
MACHO-Nachweis
allgemeine Relativitätstheorie GravitationslinseneffektWinkelabstand Masse der Linse
Gravitationslinsen:
Microlensing
Abbilder aus Gravitationslinseneffekt so dicht beieinander, dass nicht mehr unterscheidbar Modifikation + Verstärkung der Bilder, wegen Bündelung des Lichtes von größerem Winkelbereich
Microlensing:
Merkmale:
- hohe Lichtverstärkung- symmetrische Lichtkurve- Veränderung ist achromatisch- statistisch nur 1 Ereignis pro Stern
Das MACHO-Projekt
Teleskop in Australien scannt Himmel mit CCD
seit Beginn 1992:einige Ereignisse in LMC und in Zentrum der Milchstraße
- etwa halbe Sonnenmasse- Objektart nicht sicher- reicht nicht zur Erklärung
Axionnachweis
geringe Anzahl an EreignissenMasse von 10-5 bis 10-3 eV
Versuch 1
Versuch 1:
Versuch 2
Versuch 2:
WIMP-Nachweis
Nachweis der Rückstoßenergiebei Wechselwirkung mit Atomkern
Tieftemperaturmethoden
Tieftemperaturmethoden:
Supraleitende Spule knapp unterhalb der Sprungtemperatur Auftreffen von einem WIMP Rückstoßenergie zerstört Cooper-Paare messbares Spannungssignal
kalorimetrische Messung
kalorimetrische Messung:
3
DV
V
T
T
Qc
Rückstoßenergie ER=Q
DT
kleines Q großes T
Phononmessung
Messung der Phononen
Ionisation in Halbleiterzählern
Ionisation in Halbleiterzählern:
Empfindlichkeit bis zu sehr großen MassenRückstoßkern erzeugt Elektron-Loch-Paare Stromstoß
Spinunabhängig: 76GeSpinabhängig: 73Ge
Si-Halbleiterzähler für den Nachweis leichterer Teilchen
DAMA(Dark Matter Search)
NaI-Detektor in Gran Sasso-Abschirmung: 1400m Gestein- WIMP‘s sammeln sich wegen Gravitations-WW in Zentrum der Milchstraße- erwarten jahreszeitlich schwankende Ereignisrate wegen der Bewegung der Erde um die Sonne
Ergebnisse
ein solches Signal wurde als 3 prozentige Schwankung der Wechselwirkungsrate gefunden WIMP‘s mit 60 GeV?
Für höhere Nachweisgenauigkeit ist Rauschen noch zu groß
CDMS(Cryogenic Dark Matter Search)
Germanium-Detektor in alter Mine in USA- Rückstoßenergie über Temperaturerhöhung bestimmt- Untergrund kann von WIMP-Ereignissen durch die zusätzliche Messung der Phononen effizienter unterschieden werden
erste Messungen scheinen Ergebnisse von DAMA zu widerlegen
ZusammenfassungUniversum scheint aus einem „Cocktail“ von Bestandteilen zu bestehen:
kaltheißBaryon
Neben der dunklen Energie dominiert die nicht-baryonische Materie, welche sich vornehmlich aus kalter dunkler Materie mit einem „Schuss“ Neutrinos zusammensetzt. Die uns bekannte baryonische Materie stellt nur einen Bruchteil des gesamten Universums dar.
Durch Erhöhung der Empfindlichkeit ( mehr Detektormasse) und bessere Unterdrückung des Untergrundes ( mehr Schirmung) sollen die Experimente in Zukunft mehr und genauere Daten liefern.
,,If it's not DARK, it doesn't MATTER.“ Anonymus
Literatur
• H.V.Klapdor-Kleingrothaus/A.Staudt „Teilchenphysik ohne Beschleuniger“
• H.V.Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber „Teilchenastronomie“
• Spektrum der Wissenschaft „Gravitation“
• C.Grupen „Astroteilchenphysik“
• Internet