Dunkle Materie - Kandidaten aus der Teilchenphysik Proseminar WS 2010/2011: Kosmologie und Astroteilchenphysik

Transkript

1 Dunkle Materie - Kandidaten aus der Teilchenphysik Proseminar WS 2010/2011: Kosmologie und Astroteilchenphysik Andreas Kell

2 Gliederung Überblick Kandidaten Standardmodell der Teilchenphysik Dunkle Materie im Standardmodell Kritik des Standardmodells Heißester Kandidat: Supersymmetrie Supersymmetrie: Motivation Supersymmetrie: Grundlagen Supersymmetrie: Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen (LSP) Weitere Kandidaten

3 Überblick Kandidaten Baryonische Dunkle Materie Kaltes Gas Kalte Staubwolken MACHOs Nicht-Baryonische Dunkle Materie Neutrinos Supersymmetrie (LSP) Kaluza-Klein-Teilchen Sterile Neutrinos 4. Standardmodellgeneration Axion

4 Überblick Kandidaten Baryonische Dunkle Materie Widerspricht der primordialen Nukleosynthese Kaltes Gas Kalte Staubwolken MACHOs Nicht-Baryonische Dunkle Materie Neutrinos Supersymmetrie (LSP) Kaluza-Klein-Teilchen Sterile Neutrinos 4. Standardmodellgeneration Axion

5 Überblick Kandidaten Baryonische Dunkle Materie Widerspricht der primordialen Nukleosynthese Kaltes Gas Gas kann sich erwärmen; Nicht genug vorhanden Kalte Staubwolken MACHOs Nicht-Baryonische Dunkle Materie Neutrinos Supersymmetrie (LSP) Kaluza-Klein-Teilchen Sterile Neutrinos 4. Standardmodellgeneration Axion

6 Überblick Kandidaten Baryonische Dunkle Materie Widerspricht der primordialen Nukleosynthese Kaltes Gas Gas kann sich erwärmen; Nicht genug vorhanden Kalte Staubwolken reemittieren Licht von Sternen; Sternentstehung beeinflusst MACHOs Nicht-Baryonische Dunkle Materie Neutrinos Supersymmetrie (LSP) Kaluza-Klein-Teilchen Sterile Neutrinos 4. Standardmodellgeneration Axion

7 Überblick Kandidaten Baryonische Dunkle Materie Widerspricht der primordialen Nukleosynthese Kaltes Gas Gas kann sich erwärmen; Nicht genug vorhanden Kalte Staubwolken reemittieren Licht von Sternen; Sternentstehung beeinflusst MACHOs können nur kleinen Teil ausmachen Nicht-Baryonische Dunkle Materie Neutrinos Supersymmetrie (LSP) Kaluza-Klein-Teilchen Sterile Neutrinos 4. Standardmodellgeneration Axion

8 Standardmodell Beinhaltet: Starke-, Schwache- und Elektromagnetische WW 17 Teilchen, 26 Naturkonstanten, 3 WW Stimmt mit allen Laborexperimenten überein [1]

9 WIMPs Weakly Interacting Massive Particles Kein konkretes Teilchen, sondern mehr eine Art Idee + Anforderungsliste m wimp m weak GeV TeV Nur schwache Wechselwirkung (1): Nehme ein neues schweres Teilchen X an, das Ursprünglich im thermischen Gleichgewicht ist. XX ff (2): Universum kühlt sich ab: XX ff (3): X freeze out XX ff Heutige Dichte: [4]

10 Gibt es Dunkle Materie im Standardmodell? Das einzig stabile, elektrisch neutrale und schwach wechselwirkende Teilchen im Standardmodell ist das Neutrino Kann das Neutrino die Dunkle Materie sein? Neutrinos sind relativistisch Top-Down Szenario WMAP: m v < 0,23 ev Ω v h2 < 0,0072 Neutrinos können nur einen kleinen Teil der Dunklen Materie ausmachen Standardmodell enthält kein Teilchen, dass als Kandidat für Dunkle Materie in Frage kommt

11 Kritik des Standardmodells Kein Kandidat für Dunkle Materie Hierarchieproblem Quadratisch divergente Higgs- Masse Keine Gravitation Starke CP Verletzung in der QCD Zu viele Parameter Standard-Modell hat Nachholbedarf; Suche nach Physik Jenseits des Standardmodells [blog.stackoverflow.com]

12 Heißester Kandidat: Supersymmetrie Erweiterung des Standardmodells Superpartner Löst diverse Probleme des Standardmodells Kandidat für Dunkle Materie Vereinigung der Kopplungskonstanten Hierarchieproblem uvm Motivation aus der Theorie

13 Supersymmetrie: Motivation 1) Bosonen Austauschteilchen Fermionen Konstituenten der Materie Gibt es eine Symmetrie, die die beiden verbindet? 2) Vereinigung der Kopplungskonstanten: Abbildung: Messung der Stärke der Eichwechselwirkungen. Links: ohne SUSY keine Vereinheitlichung. Rechts: Mit SUSY [2]

14 Supersymmetrie: Motivation 3) Hierarchieproblem Strahlungskorrekturen durch Terme höherer Ordnung quantenmechanischer Störungsrechnung Abbildung: a) Ein fermionisches Feld koppelt an ein Higgs-Feld b) Ein bosonisches Feld koppelt an ein Higgs-Feld [3]

15 Supersymmetrie: Motivation 3) Hierarchieproblem Strahlungskorrekturen durch Terme höherer Ordnung quantenmechanischer Störungsrechnung Abbildung: a) Ein fermionisches Feld koppelt an ein Higgs-Feld b) Ein bosonisches Feld koppelt an ein Higgs-Feld [3]

16 Supersymmetrie: Grundlagen Erweiterung des Standardmodells durch Superpartner Transformationsregel: Spin Spin +/-1/2 Exakte Symmetrie: m B = m F aber: noch kein experimenteller Nachweis => gebrochene Symmetrie Um das Hierarchieproblem nicht noch zu verschlimmern sollte gelten m B 2 m F2 < 1TEV => Nachweis am LHC möglich Namensgebung: Boson Bosino (=Fermion) Fermion Sfermion (=Boson) Higgs Higgsino (=Fermion)

17 Supersymmetrie: Grundlagen Operator wandelt Bosonen in Fermionen um und umgekehrt: Q Fermion > = Boson > Q Boson > = Fermion > Q erfüllt die folgenden Komutatorrelationen: {Q,Q } = P μ, {Q,Q} = {Q,Q } = 0, [P μ,q] = [Q, P μ ] = 0 Des weiteren haben je zwei Superpartner gleiche Elektrische Ladung, gleichen Isospin und gleiche Farbladungsfreiheitsgrade, demnach müssen Q und Q also auch mit den entsprechenden Operatoren vertauschen. Viele Modelle der Susy: Hier MSSM = Minimal Supersymmetric Standard Model

18 Supersymmetrie: Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen (LSP) Superpotential lässt Baryon- und Leptonzahlverletzung zu => Protonzerfall möglich Aber: τ P > Jahre => R-Parität: R = (-1) 3B+L+2S Abbildung: R-Parität [en.wikipedia]

19 Supersymmetrie: Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen (LSP) X SM + SM Mögliche Reaktionen: Paarproduktion: SM +SM X + X Paarvernichtung: X + X SM + SM Streuung: X + SM X + SM => Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen (LSP) ist Stabil und kann nur durch Paarvernichtung vernichtet werden. => LSP ist exzellenter DM Kandidat

20 Supersymmetrie: Grundlagen Abbildung: Teilchen des MSSM [2]

21 Weitere Kandidaten Sterile Neutrinos Axionen Kaluza-Klein 4. Generation des Standardmodells uvm

22 Zusammenfassung Standardmodell liefert nur einen kleinen Teil der DM Supersymmetrie ist der beste Kandidat um das DM Problem zu lösen Dunkle Materie besteht mit Sicherheit nicht aus nur einem Kandidaten, daher können auch mehrere Theorien richtig sein

23 Literatur: Katherine Garret, Kintaras Duda (2011): Dark Matter: A Primer, Department of physics, Creighton University, 2500 California Plaza, Omaha, NE 68178, USA Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk (2004): Particle Dark Matter: Evidence, Candidates and Constraints, FERMILAB-Pub-04/047-A, hep-ph/ Stephen P. Martin (2011): A Supersymmetry Primer, hep-ph/ T. Bringmann: The WIMP miracle, University of Hamburg W. de Boer(2001): Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and Cosmology [en.wikipedia] [blog.stackoverflow.com] [1] [2] [3] [4]