Direkte und indirekte Suche nach Dunkler Materie Astroteilchenphysik in Deutschland - Status und Perspektiven Karlsruhe, 30. Sept/1. Okt.

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1 Direkte und indirekte Suche nach Dunkler Materie Astroteilchenphysik in Deutschland - Status und Perspektiven Karlsruhe, 30. Sept/1. Okt Thomas Schwetz-Mangold 1

2 Woraus besteht die Dunkle Materie? ΛCDM Fit an CMB + BAO Planck, Ω b h 2 = ± Ω c h 2 = ± Ω Λ = ± kev ν h = ± axino 68% Dunkle Energie 5% Atome 27% Dunkle Materie? 2

3 Dunkle Materie an der TeV-Skala Ω DM cm 2 σ annih v 0.23 Lee, Weinberg, 1977 Bernstein, Brown, Feinberg, 1985 Scherrer, Turner, 1986 typischer Annihilationswirkungsquerschnitt: σ annih v g4 2πm cm 2 g m 100 GeV 2 Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) Zusammenhang mit neuer Physik and TeV-Skala? 3

4 Experimentelle Suche nach WIMPs DM DM 4

5 Experimentelle Suche nach WIMPs indirekte Suche DM DM PAMELA, FERMI, AMS-2, HESS, IceCube 4

6 Experimentelle Suche nach WIMPs indirekte Suche DM DM Beschleuniger PAMELA, FERMI, AMS-2, HESS, IceCube LHC 4

7 Experimentelle Suche nach WIMPs indirekte Suche DM DM Beschleuniger PAMELA, FERMI, AMS-2, HESS, IceCube direkte Suche LHC XENON, LUX, CDMS, Edelweiss, DAMA, CoGeNT, CRESST, PICASSO, COUPP,... 4

8 Inhalt: subjektive Selektion an Themen! indirekte Suche nach DM kurze Kommentare zu - 10 GeV Gamma Exess vom gal. Zentrum GeV FERMI Gamma-Line - Positronanteil in kosmischer Strahlung direkte Suche nach DM - Überblick über derzeitige Situation - Status der DM Interpretation von DAMA und CDMS-Si - DM-Halo unabhängige Methoden beschränke mich auf WIMPs - z.b.: keine Zeit für 3.5 kev X-ray Linie (warme DM, z.b. steriles Neutrino) 5

9 Indirekte Suche nach WIMPs DM DM 6

10 Indirekte Suche nach WIMPs today DM freeze-out 6

11 Indirekte Suche nach WIMPs today DM freeze-out Wirkungsquerschnitt heute entspricht dem thermalen nur für s-wellen Prozesse (v-unabhängig) p-wellen-annihilation: σv ~ v freeze-out: v 2 ~ T/m ~ 0.05 c 2 heute: v ~ 10-3 c 6

12 FERMI dwarf spheroidials σv (cm 3 s 1 ) σv (cm 3 s 1 ) Observed Limit Median Expected 68% Containment 95% Containment e + e µ + µ uū b b Limit an den DM Annihilationsquerschn. von γ-strahlung von der kombinierten Analyse von 15 dwarf spheroidial Galaxien thermale Xsec für DM masse ~ 10 GeV σv (cm 3 s 1 ) τ + τ W + W Ackermann, Mass (GeV/c 2 ) Mass (GeV/c 2 ) 7

13 FERMI γ Exess vom galaktischem Zentrum Hooper, Goodenough, 2009, 2010; many more e.g.: Daylan et al., : GeV excess robust and highly statistically significant with a spectrum, angular distribution, and overall normalization that is in good agreement with that predicted by simple annihilating dark matter models. the signal is very well fit by a GeV dark matter particle annihilating to b b with an annihilation cross section of σv = ( ) cm 3 /s angular distribution of the excess is approximately spherically symmetric and centered around the dynamical center of the Milky Way 8

14 FERMI γ Exess vom galaktischem Zentrum Hooper, Goodenough, 2009, 2010; many more e.g.: Daylan et al., : thermal Xsec 9

15 FERMI γ Exess vom galaktischem Zentrum Galaktisches Zentrum ist eine komplizierte Region (Astrophysik) Exess abhängig vom Untergrundmodell (kosmische Strahlung im gal. Zentr.) keine charakteristische spektrale Signatur 10

16 FERMI γ Exess vom galaktischem Zentrum Limits an DM Interpretation von anderen Kanälen (Antiprotonen, Radiowellen, Positronen) Bringmann, Vollmann, Weniger,

17 Andere DM-Signale FERMI γ-linie vom galaktischem Zentrum bei ~130 GeV Bringmann et al., 2012; Weniger, 2012 zu stark im Vergleich zu typischem Loop- Annihilationsquerschn. Signifikanz sinkt Weniger,

18 Andere DM-Signale Positronanteil in der kosm. Strahlung PAMELA, AMS-II (Vortrag v. Andreas Obermeier) DM-Interpretation benötigt sehr großen Annihilationsquerschnitt ( Boostfaktor 100~1000) In Widerspruch zu Limits in anderen Kanälen (Antiproton, γ-strahlung,...) Astrophysikalische Erklärungen (Pulsare) 13

19 Direkte Suche nach Dunkler Materie DM DM 14

20 Direkte Suche nach Dunkler Materie DM DM 14

21 Direkte Suche - Signatur Ereignisse / kev : dn de R ρ DM m DM v>v min d 3 v dσ de R vf (v, t ) f (v, t )=f(v + v + v (t)) exponentielles Spektrum jährliche Modulation 15

22 Direkte Suche - Status ΣSI cm DAMA XENON10 CoGeNT CDMSLT CRESST KIMS CDMSSi CDMSGe LUX XENON m Χ GeV testen Wirkungsquerschn. ~ cm 2 Parameterraum motiviert durch WIMP-Argument (thermal freeze-out) modellabhängig! Bozorgnia, Catena, Schwetz, 2013 Vortrag von Teresa Marrodan? σstreuung < cm 2 σannih. ~10-36 cm 2 16

23 WIMP-Argument vs direkte Suche Beispiel: Higgsportal mit fermionischer DM χ 1 Λ 1 (χχ)(h H) 17

24 WIMP-Argument vs direkte Suche Beispiel: Higgsportal mit fermionischer DM χ 1 Λ 1 (χχ)(h H) Annihilation: Streuung: χ χ χ H H χ (A,Z) 17

25 WIMP-Argument vs direkte Suche Ausgeschlossen durch XENON, LUX 1 Λ 1 (χχ)(h H) s-kanal Resonanz bei mχ mh/2 pseudo-skalares Higgs-Portal Lopez-Honorez, T, Zupan, 12 1 Λ 5 (χγ 5 χ)(h H) 18

26 Hinweise für ein ~10 GeV WIMP? DAMA: hoch-signifikantes Signal für jährliche Modulation CDMS-Si: 3 Ereignisse, P=0.19% LH-test CoGeNT: Ereignis-Überschuss bei niedrigen Energien CRESST-II: mehr Ereignisse als nach Untergrundmodell erwartet (~4σ) 19

27 CoGeNT Bellis, Collar, Fields, Kelso, talk at Astroparticle 2014, Amsterdam Background model is good fit to the data see also, Aalseth et al., ; Davis, McCabe, Boehm,

28 CRESST Angloher et al., Vortrag von Raimund Strauss possible excess over background discussed for the previous run (from 2009 to 2011) is not confirmed Interessantes Limit für kleine DM Masse 21

29 DAMA modulation & CDMS-Si DAMA/LIBRA 3 25 CDMS Normalized Yield ï5 ï10 ï4 FIG. 2. Ionization yield versus recoil energy in all detectors ï Normalized Timing 6 8 FIG. 3. Normalized ionization yield (standard deviations from the nuclear recoil band centroid) versus normalized 22

30 ...in Widerspruch zu Limits von CDMS / XENON / LUX Spin-unabhängige WW DAMA XENON10 ΣSI cm CoGeNT CDMSSi CRESST CDMSGe CDMSLT KIMS ΣSI cm LUX XENON m Χ GeV m Χ GeV Bozorgnia, Catena, Schwetz,

31 ...in Widerspruch zu Limits von CDMS / XENON / LUX abh. von - Teilchenphysik Spin-unabhängige WW - Astrophysik DAMA XENON10 ΣSI cm CoGeNT CDMSSi CRESST CDMSGe CDMSLT KIMS ΣSI cm LUX XENON m Χ GeV m Χ GeV Bozorgnia, Catena, Schwetz,

32 Modifizierte DM-Kern Wechselwirkung? Bsp: negative Interferenz von WW an Neutron und Proton: A 2 eff / A Cl Si Ge I Xe ΣSI cm CoGeNT DAMA f n f p = 0.7 CRESST XENON10 KIMS CDMSLT XENON Na F f n / f p CDMSSi CDMSGe LUX m Χ GeV 24

33 Modifizierte DM-Kern Wechselwirkung? Bsp: negative Interferenz von WW an Neutron und Proton: A 2 eff / A Cl Si Ge I Xe ΣSI cm CoGeNT DAMA f n f p = 0.7 CRESST XENON10 KIMS CDMSLT XENON Na F f n / f p CDMSSi CDMSGe LUX m Χ GeV Weitere Beispiele für exotische Wechselwirkungen: Inelastische Streuung leichte Austauschteilchen elektromagnetische WW 24

34 DM-Halo unabhängiger Vergleich von Experimenten dn = ρ χσ 0 F (E R ) 2 de R 2m χ µ 2 η(v min ) with η(v min ) consider now 2m χ µ 2 σ 0 F (E R ) 2 dn de R = ρ χ η(v min ) d 3 v f (v) v>v min v v min = E R m A 2µ 2 Fox, Kribs, Tait, 2010 Fox, Liu, Weiner,

35 DM-Halo unabhängiger Vergleich von Experimenten 10 5 kev 1 kg 1 day m Χ 12 GeV LUX SuperCDMS DAMA CDMSSi v min kms Bozorgnia, Schwetz, in prep. s. auch Gelmini, Gondolo, Kahlhöfer, McCabe,... 26

36 DM-Halo unabhängiger Vergleich - CDMS-Si versus LUX / SuperCDMS gemeinsame Wahrscheinlichkeit für 3 Ereignisse in CDMS-Si und die LUX / SuperCDMS Ergebnisse Probability LUX LUX SuperCDMS dashed : Method 1 solid : Method 2 SuperCDMS berücksichtigt Energie-Information der 3 Si-Ereignisse m Χ GeV Bozorgnia, Schwetz, in prep. 27

37 DM-Halo unabhängiger Vergleich - DAMA versus LUX / SuperCDMS /... gemeinsame Wahrscheinlichkeit für Modulationsampl. in DAMA (3. Bin) und die LUX / SuperCDMS Ergebnisse Probability LUX LUX SuperCDMS SuperCDMS Bozorgnia, Schwetz, in prep. solid : trivial bound dashed : v e expansion m Χ GeV Probability Entwicklung d. Modulation in ve SIMPLE (IV) CDMS Si (IV) XE10 (SI) SIMPLE (SD) CDMS LT (SI) solid: general halo, dashed: symmetric halo CDMS LT (IV) CDMS Si (IV) XE10 (SI) XE100 (SI) m χ (GeV) Herrero-Garcia, Schwetz, Zupan, Standard deviations

38 Zusammenfassung WIMP-Hypothese wird von allen Seiten getestet (direkte / indirekte Suchen + LHC) mögliche DM Signale, indirekt: - 10 GeV Exess vom galaktischen Zentrum - (130 GeV Linie, Positronanteil) mögliche DM Signale, direkt: - DAMA, CDMS-Si (in starkem Widerspruch zu Limits von LUX, XENON, CDMS,...) Die kommenden Jahre werden spannend! 29