Direkter Nachweis dunkler Materie

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1 Direkter Nachweis dunkler Materie Hauptseminarvortrag von Johann Rauser 21. Juni 2013 HAUPTSEMINAR: DER URKNALL UND SEINE TEILCHEN KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Warum dunkle Materie Kandidaten für dunkle Materie Direkte Nachweismethode von WIMPs Experimente DAMA/LIBRA XENON-100 EDELWEISS-II Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Warum dunkle Materie Gravitationslinseneffekt Einstein: Masse krümmt den Raum Stärke der Ablenkung abhängig von der Masse Beobachtung: Starke Ablenkung trotz geringer Masse Dunkle Materie 3

4 Warum dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalxien Geschwindigkeit sollte bei größeren Abständen abfallen Beobachtung: Konstante Maximalgeschwindigkeit Bis zu 10-facher Anteil an Materie als sichtbar Dunkle Materie 4

5 Warum dunkle Materie Weitere Hinweise au Dunkle Materie Virial Theorem Halo: Stabilität der Galaxien Kosmische Hintergrundstrahlung Strukturbildung 5

6 Kandidaten für Dunkle Materie Baryonische Dunkle Materie: MACHOs Massive Astrophysical Compact Halo Objects Bspw. Ausgebrannte Sterne, Asteroiden, Schwarze Löcher Widerspruch zur Primordialen Nukleosynthese Können nur einen geringen Teil der Dunklen Materie ausmachen 6

7 Kandidaten für Dunkle Materie Nicht-Baryonische Dunkle Materie: Neutrinos Heiße Dunkle Materie Tragen nicht zur leuchtenden Materie bei Geringe Wechselwirkung Große Anzahl verfügbar Widerspruch zur Strukturentwicklung im Universum (Bottom-Up-Szenario) Neutrinos < 7% von Dunkler Materie 7

8 Kandidaten für Dunkle Materie Nicht-Baryonische Dunkle Materie: WIMPs Weakly Interacting Massive Particles Unterliegen nur Gravitation und Schwacher Wechselwirkung Elementarteilchen außerhalb des Standardmodells Elektrisch neutral und stabil Lösung über LSP der Supersymmetrie Möglicher Kandidat ist das Neutralino Kombination aus Photino, Zino und zwei Higgsinos 8

9 Direkte Nachweismethode von WIMPs Lokale Dichte in unserem Sonnensystem von Entspricht ungefähr 1 WIMP/ Kaffeetasse Jährliche Modualtion der Streurate Unterschiedliche Anzahl an zu bestimmenden Ereignissen je nach Jahreszeit 9

10 Direkte Nachweismethode von WIMPs Nachweis über WIMP-Kernstreuung Nur elastische Streuung Kinetische Energie zu gering für inelastische Streuung Rückstoßenergie des Kerns: 10

11 Direkte Nachweismethode von WIMPs Bestimmung der Rückstoßenergie des Kerns: Messung der Wärme in Form von Phononen Rückstoßkern erzeugt Ionen. Diese fangen Elektronen und fallen unter Aussendung von Photonen in den Grundzustand zurück (Messung über Szintillation) Rückstoßkern schlägt bei Nachbarn Elektronen aus. Elektron-Loch-Paare entstehen (Messung über Ionisation) 11

12 Direkte Nachweismethode von WIMPs Beeinflussungen durch den Untergrund Gammas & Neutronen durch Zerfälle von 238U, 232Th, 40 K und Radon Neutronen durch Myonen aus Kosmischer Hintergrundstrahlung Neutronen ähneln WIMPs sehr (nur unterschiedlicher Wirkungsquerschnitt) 12

13 Direkte Nachweismethode von WIMPs Abschirmung gegen den Untergrund Europäische Untergrundlabore: 13

14 Experimente 14

15 Experimente mit einem Messparameter 15

16 Experimente mit zwei Messparametern 16

17 Experimente: DAMA/LIBRA Dark Matter/Large sodium Iodide Bulk for Rare processes im LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) Gran Sasso ist Gebirgsmassiv (~3000m) in Süditalien LNGS: A= 17,300 m² Myonenrate: 3*10-4/m2s 17

18 Experimente: DAMA/LIBRA Detektion über NaJ-Szintillation (250 kg NaJ(Tl) Kristalle) Detektion über 2 PMTs an jedem der 25 Kristalle Abschirmung durch Kupfer (15 cm), Blei (10 cm), Paraffin, Polyethylen, Beton (1 m) und Stickstoff-Atmosphäre Messung der jährlichen Modulation als Ziel 18

19 Experimente: DAMA/LIBRA Datenaufnahme von Sept bis Sept Jährliche Modulation der Streurate im Bereich von 2-6 kev gefunden Sehr hohe statistische Signifikanz Direkter Nachweis der Dunklen Materie bereits gelungen? 19

20 Experimente: DAMA/LIBRA Diskussion der erhaltenen Resultate Modulation eventuell nur durch Temperaturunterschied zwischen Sommer und Winter Nur ein Detektorprinzip, deswegen kann Untergrundspektrum nicht ausgeschlossen werden Keine Bestätigung durch anderes Experiment Xenon100 widerlegt den gefunden Bereich 20

21 Experimente: XENON-100 Befindet sich ebenfalls im LNGS 21

22 Experimente: XENON-100 Vorteile von Xenon: Große Massenzahl (131) liefert hohe Streuraten bei niedrigen Kernrückstößen Gute Selbstabschirmung aufgrund hoher Dichte (3 g/cm 2) Xenon mit sehr hohem Reinheitsgrad erhältlich Hauptsächlich aus zwei Isotopen (129Xe & 131Xe) zusammengesetzt, gut für spinabhängigen Wirkungsquerschnitt Guter Szintillator und Ionisator Gleichzeitiges Messen von Ionisation und Licht möglich Relativ kostengünstig: ~ 800 $/kg 22

23 Experimente: XENON-100 Detektionsprinzip: Messung von Licht und Ionisation mittels PMTs Diskriminierung anhand S1/S2 23

24 Experimente: XENON-100 Aufbau des Detektors: 242 PMTs zur Signalaufnahme 161 kg flüssiges Xenon (99 kg als Veto, 62 kg als Target) Abschirmung durch Blei, Kupfer, Polyethylen und Beton 24

25 Experimente: XENON-100 Messung und Ergebnisse: Zunächst Kalibrierung Aktuellste Messung 225 Tage Weltbester Wirkungsquerschnitt < 2,0*10-45 cm² bei WIMPMasse 55 GeV 25

26 Experimente: EDELWEISS-II 26

27 Experimente: EDELWEISS-II Experience de Detecter Les WIMPs En Site Souterrain Detektionsprinzip: Gleichzeitige Messung von Ionisation und Wärme (Kryogen-Bolometer) Stoßmaterial benötigt eine geringe spezifische Wärmekapazität: Bolometer wird im mk-bereich betrieben, um spezifische Wärme CV zu minimieren 27

28 Experimente: EDELWEISS-II Sehr gute Diskriminierung zwischen WIMPs und Gammastrahlung durch Signalverhältnis WIMP: Gamma: 28

29 Experimente: EDELWEISS-II Versuchsaufbau: Mehrschichtige Abschirmung (Myondetektor, Blei, Kupfer) 29

30 Experimente: EDELWEISS-II Messung Durch Kalibrierung mit einer Neutronenquelle (60Co) und einer Gammaquelle (133Ba) wurde der Bereich für die WIMPs eingeschränkt Messzeit Suche ab 20 kev 10 Ge-Detektoren 5 WIMP-Kandidaten Sehr gute GammaUnterdrückung 30

31 Experimente: EDELWEISS-II Ergebnisse Bereich von DAMA/LIBRA kann durch EDELWEISS komplett ausgeschlossen werden 5 WIMP-Kandidaten < 3 Ereignisse von Untergrundquellen Kein statistisch signifikantes WIMP-Signal Höhere Sensitivität benötigt 31

32 Zusammenfassung 32

33 Zusammenfassung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 33