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!