Das Geheimnis der. Dunklen Materie. Woraus besteht das Universum?

Transkript

1 Georg Raffelt, Geheimnis Max-Planck-Institut der dunklen für Materie Physik, München Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum? Öffentlicher Vortrag im Rahmen des Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs Juli 2010, Zürich Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

2 Dark Matter

3 Pizza

4 Erde Illumination

5 Struktur von Spiralgalaxien Massenverteilung durch Rotationskurve Vera Rubin Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891

6 Rotationskurve des Sonnensystems Kepler sches Gesetz v Bahn = G M Abs tandd Newton Zentral

7 Galaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Beobachtete flache Rotationskurve Erwartet aus Verteilung der leuchtenden Materie Spiralgalaxie NGC 3198 mit Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 überlagerten Konturen der durch Radiobeobachtungen Wasserstoff-Säulendichte der Wasserstoffbewegung [ApJ 295 (1985) 305] [MNRAS 249 (1991) 523]

8 Struktur einer Spiralgalaxie

9 Struktur einer Spiralgalaxie Dunkler Halo

10 Dunkle Materie in Galaxienhaufen Coma Haufen

11 Dunkle Materie in Galaxienhaufen Ein gravitativ gebundenes System vieler Teilchen gehorcht dem Virialsatz 2 E kin = E grav 2 mv G M m 2 = N r 2 r 2 v G N M r 1 r Geschwindigkeitsmessung durch Dopplereffekt von Spektrallinien Coma Haufen Massenabschätzung

12 Dunkle Materie in Galaxienhaufen Fritz Zwicky ( ) 1974) Die Rotverschiebung von Extragalaktischen Nebeln Helvetica Physica Acta 6 (1933) 110

13 Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & RöntgenR öntgen) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

14 Geschosshaufen (Bullet Cluster, 1E ) 56) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

15 Geschosshaufen (Bullet Cluster, 1E ) 56) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

16 Geschosshaufen (Bullet Cluster, 1E ) 56) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

17 Geschosshaufen (Bullet Cluster, 1E ) 56) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

18 Expandierendes Universum und Urknall Hubble sches Gesetz v Expansion = H 0 Abstand Hubble-Konstante H 0 = h 100 km s-1 s Mpc -1 Messwert h = 0.72 ± 0.04 Expansionsalter des Universums t 0 H Milliarden Jahre 1 Mpc = Lichtjahre = cm Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

19 Expandierendes Universum und Urknall Hubble sches Gesetz v Expansion = H 0 Abstand Hubble-Konstante H 0 = h 100 km s-1 s Mpc -1 Messwert h = 0.72 ± 0.04 Expansionsalter des Universums t 0 H Milliarden Jahre 1 Mpc = Lichtjahre = cm Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

20 Expandierendes Universum und Urknall Hubble sches Gesetz v Expansion = H 0 Abstand Hubble-Konstante H 0 = h 100 km s-1 s Mpc -1 Messwert h = 0.72 ± 0.04 Expansionsalter des Universums t 0 H Milliarden Jahre 1 Mpc = Lichtjahre = cm Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

21 Expandierendes Universum und Urknall Hubble sches Gesetz v Expansion = H 0 Abstand Hubble-Konstante H 0 = h 100 km s-1 s Mpc -1 Messwert h = 0.72 ± 0.04 Expansionsalter des Universums t 0 H Milliarden Jahre 1 Mpc = Lichtjahre = cm Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

22 Urknall und Expansion des Universums

23 Hubble Diagramm Scheinbare Helligkeit (Entfernung Entfernung) Supernovae vom Typ Ia als kosmologische Standardkerzen Hubbles Originaldaten (1929) Rotverschiebung (Fluchtgeschwindigkeit)

24 Hubble Diagramm Beschleunigte Expansion Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Beschleunigte Expansion Abgebremste Expansion (Normale Materie)

25 Expansion verschiedener kosmologischer Modelle Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Kosmischer Skalenfaktor a Ω M = 0.3 Ω Λ = 0.7 Ω M = 0 Ω M = 1 Ω M > Nach einer Vorlage von Bruno Leibundgut Heute Zeit (Milliarden Jahre)

26 Einsteins Größte Eselei Dichte gravitierender Masse & Energie Newton sche Konstante Krümmungsterm ist sehr klein oder Null (Euklidische Raumgeometrie) Friedmann Gleichung für Hubbles Expansionsrate 2 a 8 G k H 2 π N Λ = & = ρ + a 3 2 a 3 Yakov Borisovich Zeldovich Kosmologische Konstante Λ (neue Naturkonstante) erlaubt statisches Universum durch globale Antigravitation Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich Vakuumfluktuationen Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie Vakuumenergie ρ vac äquivalent zu Λ

27 Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Neutrinos 0.1 2% Dunkle Materie 23%

28 Periodensystem der Elementarteilchen Ladung +2/3 Up Quarks u Ladung 1/3 Down d Ladung Elektron Leptonen 1 e Ladung 0 e-neutrino ν e Neutron Proton

29 Periodensystem der Elementarteilchen Quarks Leptonen Ladung +2/3 Ladung 1/3 Ladung 1 Ladung 0 1. Familie Up u Down d Elektron e e-neutrino ν e 2. Familie Charm c Strange s Myon μ μ-neutrino ν μ 3. Familie Top t Bottom b Tauon τ τ-neutrino ν τ Gravitation Schwache Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung

30 Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

31 SDSS Survey

32 Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

33 Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

34 Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

35 Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Standard ΛCDM Model Neutrinos mit Σm ν = 6.9 ev Experimentelle Schranke Strukturbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutige Skalen) Troels Haugbølle,

36 Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Standard ΛCDM Model Neutrinos mit Σm ν = 6.9 ev Experimentelle Schranke Strukturbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutige Skalen) Troels Haugbølle,

37 Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Standard ΛCDM Model Neutrinos mit Σm ν = 6.9 ev Experimentelle Schranke Strukturbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutige Skalen) Troels Haugbølle,

38 Hubble Deep Field Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23% Neutrinos 0.1 2%

39 Schwach wechselwirkende Teilchen als Dunkle Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Eigenschaften für f Teilchen der dunklen Materie: Schwach wechselwirkend ( unsichtbar ) wie Neutrinos Grosse Masse ( kalte dunkle Materie ) im Gegensatz zu Neutrinos WIMPs (Weakly interacting massive particles) (engl. Schwächlinge ächlinge ) Thermisches Gleichgewicht im heissen frühen Universum: WIMP + WIMP Teilchen + Antiteilchen WIMPs überleben dank schwacher Wecheselwirkung! ( Suvival of the Weakest ) Dominieren im heutigen Universum

40 Alternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Symmetrie zwischen Teilchen und Kräften äften Bosonischer Partner zu jedem Fermion und umgekehrt Spin Standardteilchen 1/2 Leptons (e, ν e, ) Quarks (u, d, ) Superpartner Sleptons (e, ~ ν ~ e, ) Squarks (u, ~ ~ d, ) Spin 0 1 Gluons W ± Z 0 Photon (γ)( 0 2 Higgs Graviton Gluinos Wino Zino Photino (γ) ~ Higgsino Gravitino 1/2 1/2 3/2 Ein Kandidat für die dunkle Materie ist das Neutralino, eine Kombination aus Photino, Zino und Higgsino

41 Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München LHC am CERN (Genf) Protonen werden mit den bisher höchsten Energien zur Kollision gebracht Entdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.b. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partner der normalen Materie

42 Direkte Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.b. Neutralino) Kristall Energie- deposition Gemessen wird Rückstoss-Energie (einige kev) durch Ionisation Szintillation Kryogenisch Sehr selten: Weniger als 1 Ereignis pro Woche und Kilogramm

43 Physik im Untergrund

44 Physik im Untergrund Unterdrückung von Störsignalen grundlegend für WIMP-Suche Abschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlabors Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

45 CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

46 Xenon-100 Detektor (Gran Sasso) Flüssiges Xenon (ca 100 C) Geringe Verunreinigung Relativ einfache Handhabung Skalierbar bis zu 1 Tonne? Empfindlichkeit dann bis zu 1 Ereignis / Tonne / Jahr

47 DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs? Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor) beobachtet eine jährliche j Modulation ihres Signals mit hoher statistische Signifikanz [Riv. N. Cim. 26 (2003) , arxiv: (2008)] Detektor Stabilität? Hintergrund Stabilität?

48 Selbst-Annihilation dunkler Materieteilchen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

49 Positron Signal im Pamela Satellit Überzählige Positronen Hinweis auf Annihilation oder Zerfall dunkler Materie? Astrophysikalische Quellen (Pulsare) möglichm

50 Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2009) Rückstoßenergie (wenige kev) Gemessen durch Ionisation Szintillation Kryogenisch Suche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie Gamma Strahlung (z.b. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST) Anti-Protonen (AMS, Pamela) Positronen (AMS, Pamela) Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde (z.b. Super-Kamikande Kamikande, IceCube, Antares,, )

51 Das Axion Radio ΔE/E ~ Mikrowellen Resonator in starkem B-Feld Konversion von Axion-Schwingungen der dunklen Materie ADMX Axion Dark Matter Experiment Univ. Washington, Seattle

52 Weltweite Suche nach dunkler Materie

53 Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Neutrinos 0.1 2% Dunkle Materie 23%

54 Hubble Deep Field Nicolaus Copernicus ( )

55 Patras in Zurich