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