Die dunkle Seite des Universums

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1 Die dunkle Seite des Universums Manfred Lindner Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg Physik am Samstagmorgen, 28. April 2012

2 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 2

3 Sehen wir eigentlich alles? Versteckte Materie? Prinzipiell unsichtbare Materie? M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 3

4 Sehen aus physikalischer Sicht Abbild im Gehirn Realität Austausch von Lichtteilchen (Photonen) elektrisch geladene Teilchen M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 4

5 Sehhilfen Optische Instrumente: Brillen, Teleskope,... Elektronische Geräte: M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 5

6 Computer-aufbereitete Bilder: Verstärkung, Frequenzänderung Austausch von Photonen elektrisch geladenen Teilchen gibt es ungeladene Teilchen? M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 6

7 Mit mit Hilfe der Gravitation sehen Historische Methode zur Suche neuer Planeten: Vergleich von berechneten und beobachteten Bahnen bekannter Planeten Position neuer Objekte M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 7

8 Dynamische Evidenz für Dunkle Materie F. Zwicky 1933 Probleme bei Galaxiencluster Beobachtung galaktische Rotationskurven Erwartung Galaxien haben ein großes DM-Halo Analog: Vergleich von simulierten und realen Strukturen zeigen das selbe Problem auf größten Skalen M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 8

9 Das Bullet Cluster (1E ) Kollidierende Galaxiencluster = Sterne, Gas,.., DM ; 10 6 km/h Unterschiedliche Streuung von - sichtbarer Materie Röntgenstrahlung im Zentrum - dunkler Materie durchdringt ungebremst M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 9

10 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 10

11 Das Bullet Cluster (1E ) Kollidierende Galaxiencluster = Sterne, Gas,.., DM ; 10 6 km/h Unterschiedliche Streuung von - sichtbarer Materie Röntgenstrahlung im Zentrum - dunkler Materie durchdringt ungebremst Versatz zwischen sichtbarer (baryonischer) Materie (rot) und dem Gravitationszentren (blau) M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 11

12 Eine weitere Methode: Gravitationslinsen leuchtende oder Dunkle Materie gravitative Lichtablenkung M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 12

13 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 13

14 Gravitatioslinsen Materieverteilung Einstein: ART Galaxy cluster SDSS J HST AFT/WFC Abel 2218c Galaxy cluster gravitational lens M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 14 10"

15 Galaktische Rotationskurven Galaxiencluster & GR lensing Bullet Cluster Geschwindigkeitsdispersion von Galaxien Kosmischer Mikrowellenhintergrund,,Baryon Acoustic Oscillations Typ Ia Supernovae Abstandsmessungen Big Bang Nukleosynthese (BBN) Lyman-alpha forest Kosmische Strukturbildung Weitere Hinweise für Dunkle Materie Konsistentes Bild: Sehr viel dunkle Materie M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 15

16 Kosmische Massenbilanz Normale Materie: 0,5% sichtbar 3,5% nicht leuchtend bis zu 4% in Neutrinos 23% Dunkle Materie aus neuen Teilchen: WIMPs,... 73% Energiedichte des Raums: Kosmologische Konstante,... M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 16

17 Unsichtbares sichtbar gemacht: Neutrinos M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 17

18 Neutrinos: Elektrisch neutrale Teilchen β-zerfall (Radioaktivität) W.Pauli: Energie- & Impuls-Erhaltung beim β-zerfall: neues Teilchen = Neutrino unsichtbar, da Q=0 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 18

19 Das Double Chooz Experiment Nahdetektor: 410m, 120 mwe ~500 ν s/tag Ferndetektor: 1050m, 300mwe ~70 ν s/tag Chooz Reaktoren A+B: " 8.5 GW thermal M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 19

20 Kernreaktoren als Antineutrinoquelle Reaktoren haben einige Gigawatt (GW) thermische Leistung Einige Prozent davon fliegen in Form von Antineutrinos weg _ 2*10 21 ν/s O(1 kw/m 2 Beispiel: Spaltung von U 235 Energiespektrum der Neutrinos berechenbar und messbar: _ a) e - -Spektrum von U 235, Pu 239, Pu 241 b) Nahdetektor = Referenzmessung M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 20

21 Anti-Neutrino-Nachweis: Inverser β-zerfall ν e % + p e+ + n 511 kev 511 kev promptes e + -Signal ν e n e + Gd Verzögertes Photon vom n-einfang Gadolinium doping Σγ ~ 8 MeV Beobachtung der charakteristischen Signatur mit Photovervielfachern M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 21

22 Antineutrinos sichtbar gemacht - Ereignisse in 4 Monaten es gibt unsichtbare Teilchen inverse Streuprozesse machen diese Teilchen sichtbar - Es gibt 330 Neutrinos / cm3 im gesamten Universum kleiner Beitrag zur Dunklen Materie andere unsichtbare Teilchen Dunkle Materie M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 22

23 Woraus besteht Dunkle Materie? M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 23

24 Teilchenphysik und Dunkle Materie Standard Model der Teilchenphysik ist nicht komplett,,beyond the Standard Model (BSM) Viele BSM-Szenarien sagen neue Teilchen vorher die perfekte Kandidaten für Dunkle Materie sind Erlaubte Wechselwirkung für DM-Teilchen: WIMP = Weakly Interacting Massive Particle GIMP = (only )Gravtiationally Interacting Massive Particle WIMP GIMP Elektromagnetismus - - Starke Wechselwirkung - - Schwache Wechselwirkung X - Gravitation X X M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 24

25 Das WIMP-Wunder WIMPs motiviert durch BSM-Physik Massen O(100 GeV) Produktion im Urknall Wunder: ~ korrekte Häufigkeit ergibt sich aus dem Urknall Kandidaten müssen hinreichend langlebig sein (> t Universum ) OK Synergien mit Beschleunigerphysik M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 25

26 Der WIMP-Wind M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 26

27 Dunkle Materie in unserer Galaxie M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 27

28 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 28

29 Der WIMP Wind Unser Sonnensystem ~8.5 kpc vom Zentrum der Galaxie ~ 220 km/s Fallgeschwindigkeit in Richtung von Cygnus WIMP-Wind = Teilchenfluss (Masse, ) M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 29

30 Wie man Dunkle Materie sichtbar macht M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 30

31 Eine Option: Dirkter Nachweis durch Streuung WIMPs sind wie unsichtbare Billardkugeln die selten mit sichtbaren Kugeln (Atomen) wechselwirken Maximaler Impulsübertrag: Masse der sichtbaren Kugeln ~ WIMP Masse Erschwernis: Umweltradioaktivität weitere quasi unischtbare Kugeln die nichts mit DM zu tun haben - von der Bande (Detektormaterial) - Vom Tisch (Reinheit der Atome) Untergrundunterdrückung: - ultra-reine Materialien - Unterdrückung der Höhenstrahlung M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 31

32 Suche nach extrem seltenen" DM Streuereignissen vom " WIMP Wind über dem Untergrund Signal: Genügend aktive Detektormasse " - Licht Szintillation Oberfläche" - Ionisation geladene Teilchen Drift zur Oberfläche " - Phononen Temperaturanstieg " Kombination zur besseren Diskriminierung" geeignete Flüssigkeit: Flüssiges Xenon Niedriger Untergrund" - Untergrundlabor vermeide kosmogenen Teilchenfluss" - Extrem saubere Detektorkomponenten" vermeide minimale Radioactivität (U, Th, K, Tl, Kr85, Rn)" - Detektor und Target-Material" - Aktive Untergrundunterdrückung (fiducialization TPC)" Direkter Nachweis von Dunkler Materie M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 32

33 WIMP-Streuung: 1) direktes Lichtsignal S1 2) drift der Elektronen zu Gas-phase 1.74 mm/µs 3) Zweites Lichtsignal S2 S1 Zwei-Phasen Xenon TPC S2 Drift-Zeit z PMT-Signalverteilung x,y Anode Kathode Pulshöhe, Form, Exzellente 3D Positionsbestimmung: S2 hit pattern δr < 3mm Drift-Zeit δz < 300µm Obere PMTs (Lichtsensoren) Untere PMTs (Lichtsensoren) M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 33

34 Die XENON Kollaboration University of California Los Angeles Rice University Houston Purdue University Columbia University New York Universidade de Coimbra Subatech Nantes NIKHEF Amsterdam Willhelms Universität Münster J. Gutenberg-Universität Mainz Max-Planck-Institut Heidelberg Universität Zürich Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN e Università di Bologna Weizman Institute Rehovot Jiao Tong University Shanghai M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 34

35 XENON100 und XENON1T am LNGS Abschirmung Gran Sasso Untergrundlabor in Italien XENON1T M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 35

36 Bedeutung Der direkte Nachweis von Dunkler Materie ist ein wichtiger Test der indirekten Hinweise Bedeutet, dass normale Materie nur ein geringer Teil des Kosmos ist Noch mehr Dunkle Energie Ganz wichtige Konsequenzen für - Elementarteilchenphysik - Kosmologie - Selbstverständnis der Menschheit M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 36

37 M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 37

Neutrinos und andere Geisterteilchen. M. Lindner

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