Die dunkle Materie. von Manuel Bridger. 16. Januar 2014

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1 Die dunkle Materie von Manuel Bridger 16. Januar 2014

2 Inhalt 1. Was bezeichnet man als dunkle Materie? 2. Gründe für die Annahme von dunkler Materie 3. Einsteinlinse 4. Aus was könnte dunkle Materie bestehen? 5. Nachweis von weakly interacting massiv particles (WIMPs) 5.1 direkte Experimente 5.2 indirekte Experimente

3 Was bezeichnet man als Dunkle Materie? Aus den Berechnungen ergibt sich, dass nur 4,9% der Masse des Universums baryonische Masse ist. Die restlichen 95,1% der Materie- bzw. Energieformen spalten sich auf zu ca. 26,8% dunkle Materie und ca. 68,3% in dunkle Energie.

4 Was bezeichnet man als Dunkle Materie? Ist dunkle Materie einfach nur dunkel?

5 Was bezeichnet man als Dunkle Materie? Ist dunkle Materie einfach nur dunkel? Abbildung: Holzkohle

6 Was bezeichnet man als Dunkle Materie? Nein! Hierbei geht es um eine Art Materie die an sich keinerlei elektromagnetischer Strahlung aussendet. Aber dennoch kann ihre Existenz aus der gravitativen und schwachen Wechselwirkung mit leuchtender Materie postuliert werden.

7 Gründe für die Annahme von dunkler Materie Galaxien würden auseinanderdriften, wenn keine dunkle Materie angenommen wird. Denn die Sterne bewegen sich viel schneller um das Zentrum ihrer Galaxie als erwartet. (Video) Abbildung: Sterngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Distanz zum Zentrum

8 Gründe für die Annahme von dunkler Materie Fritz Zwicky hat 1933 mit dem Virialsatz ( 2Ē kin = Ē pot ) eben das bewiesen und errechnet, dass die nötige Masse für das Beobachtete rund 2 Zehnerpotenzen gröÿer sein muss, als nur die Materie die man sieht. missing mass problem Abbildung: Fritz Zwicky

9 Gründe für die Annahme von dunkler Materie Eine Abschätzung für die Masse der dunklen Materie ergibt sich aus der Formel: M H = v 3 circ 10GH(z) Hier ist v circ die vom Radius unabhängige Kreisgeschwindigkeit und H(z) die Hubblefunktion zur Epoche z. H(z) = H 0 [Ω Λ + Ω M (1 + z) 3 ] 1/2

10 Gründe für die Annahme von dunkler Materie Man nimmt an, dass die dunkle Materie wie eine dicke Kugelschale um die sichtbare Materie liegt (dark matter halo). Aufgrund dessen kann man erklären, dass die Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand nahezu konstant bleibt. Abbildung: Leuchtende Materie umgeben von dunkler Materie

11 Einsteinlinse Wegen der hohen Masse von Galaxien und dazu noch die der Halos, haben diese eine hohe gravitative Wechselwirkung, so dass sie Licht sehr stark ablenken können. Ein populares Beispiel stellt die Einsteinlinse dar. Abbildung: Einsteinlinseneekt

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14 Aus was könnte dunkle Materie bestehen? Wie am Anfang schon teilweise geschildert muss dunkle Materie einige Kriterien erfüllen: Stabil (auf Zeitskalen des Alters des Universums) Schwach wechselwirkend (Wechselwirkungsquerschnitt in etwa gleich der schwachen Wechselwirkung, aber nur elastische Streuung) kalt d.h. sie ist nicht relativistisch (E kin << E Ruhe ) Nicht barionisch Konsistent mit Primordialer Nukleosynthese

15 WIMPs Alle Teilchen die diese Kriterien erfüllen nennt man WIMPs (weakly interacting massiv particles). Es werden hierfür einige Kandidaten diskutiert: Neutrinos Axionen Supersymmetriepartner von beobachtbaren Teilchen

16 Nachweis von WIMPs Es ist sehr schwer WIMPs nachzuweisen, weil sie nur gravitativ oder schwach wechselwirken. Dennoch kann man ihr Wirken direkt oder indirekt messen. direkt: WIMP trit auf einen Atomkern, stöÿt inelastisch und überträgt somit Energie. Hier ist am besten ein Kern, welcher ähnliche Masse hat, weil dann die Bedingung für den Rückstoss besonders günstig ist. Die mittlere übertragene Energie ist: < E R > = 2v 2 m T (1+m T /m W ) 2 indirekt: Hier wird davon ausgegangen, dass WIMPs SuSy-Teilchen sind. Diese können sich paarweise anihilieren und hochenergetische Gamma- oder Neutrinostrahlung abgeben oder als Antimaterie beobachtbar sein.

17 Experiment zum direkten Nachweis: CRESST CRESST: Cryogenic Rare Events Search with Superconducting Thermometers Gran Sasso Labor WIMPs absorbiert in Saphir oder Kalciumwolframat-Kristall Energie übertragen als Phononenimpuls Arbeitstemperatur: mk

18 Experiment zum direkten Nachweis: XENON 100 Betrieben mit 100 kg Xenon 2 Phasen-Detektor mit Elektrischem Feld am Übergang von der üssigen zur gasförmigen Phase Stoÿ löst Szintillations-Impuls aus und löst zum Auslösen eines Elektrons in der Flüssigkeit Elektron wird im Feld beschleunigt und erzeugt einen zweiten Lichtpuls Durch Vergleich der Lichtimpulse kann die Natur der Teilchen identiziert werden Über und unter dem Behälter sind Photomultiplier angebracht Der Messbereich wird mit 100GeV /c 2 und σ > cm 2 oder pb angegeben.

19 Experiment zum direkten Nachweis: XENON 100 Abbildung: Empndlichkeiten der verschiedenen WIMP-Nachweismethoden

20 Indirekten Nachweis durch Gammastrahlung Das Fermi LAT (= Fermi Large Area Telescope) misst Energien von 20 MeV bis 300 GeV, überdeckt 20% des Nachthimmels und führt einen vollen Scan in 3 Stunden aus. Nach Subtraktion des diusen Hintergrunds können die Autoren mit 95% Sicherheit im Bereich von GeV Vernichtungsstrahlung von WIMPs ausschlieÿen.

21 Indirekten Nachweis durch Neutrinos: Ice Cube Experiment Hochenergetische Neutrinos emittieren Myonen wenn sie mit Atomkernen kollidieren, welche sich durch ihre Tscherenkow - Strahlung nachweisen lassen. Dazu werden PM-Ketten mit über 5000 Photomultipliern an Kabeln in das Eis eingeschmolzen und bis zu 2450 Tiefe versenkt. Registriert werden nur Neutrinos, die von Norden kommen, also durch die Erde geltert werden.

22 Indirekten Nachweis durch Antimaterie: Pamela - Experiment Satellit ausgestattet mit Teilchendetektor und Magnetospektrometer Leptonen, Baryonen und deren Antiteilchen im Energiebereich von 50 MeV bis mehreren 100 GeV messbar. Ausgerichtet auf das galaktische Zentrum, welches von besonders viel dunkle Materie umgeben sein sollte Lieÿ einen Anteil WIMPs-Annihilationsstrahlung zu, konnte jedoch inzwischen ausgeschlossen werden

23 Zusammenfassung Bestimmung der Gesamtmasse von Galaxien und Galaxie - Haufen mittels derer Dynamik Anteil der dunklen Materie zur Baryonischen ist sieben zu eins Untersuchung der Massenverteilung mittels Gavitationslinseneekt Kein geeigneter Kandidat für WIMPs im Standardmodell der Teilchenphysik Suche in den energetisch am tiefsten liegenden Zuständen der Supersymmetrie Nachweis von WIMPs ndet in Labors tief unter der Erde statt um kosmische Strahlung zu vermeiden Wahrscheinlichkeit für eine Detektion ist abhängig von der Detektormasse immer gröÿere Anlagen Bisher konnten noch keine Ereignisse nachgewiesen werden, die einer allgemeinen Kritik standhielten

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit