Dunkle Materie überall Eine Suche nach bisher unbekannten Teilchen

Transkript

1 Dunkle Materie überall Eine Suche nach bisher unbekannten Teilchen Josef Jochum Kepler Center for Astro and Particle Physics Universität Tübingen

2

3

4 Elementarteilchen Struktur des Universums u Enge Verknüpfung von Teilchenphysik und Astrophysik e AstroParticlePhysics d?

5 Elementarteilchen Struktur des Universums u e Enträtselung des Universums beginnt bei den kleinsten Bestandteilen Elementarteilchen d?

6 Elementare Bausteine der Materie p u d u n d u d Proton Neutron Atomkern e - Elektron Atomhülle Neutrino

7 Elementare Bausteine der Materie p Proton Schwere Teilchen = Baryonen Masse 1GeV 1u n Neutron (1GeV = 10 9 ev) Leichte Teilchen = Leptonen e - Elektron Masse = 511keV = (1keV = 10 3 ev) 2000 Neutrino sehr kleine Masse weniger als

8 Wechselwirkungen der Bausteine Gravitations - Kraft Sonnensystem, Galaxien etc. Masse n p e Elektromagnetische (Coulomb)- Kraft Ladung n p e Atomhülle, Materie um uns herum Kern - Kraft Baryon n p Atomkerne. Schwache - Kraft alle e Beta-Zerfall n p

9 Kernfusion Energieerzeugung der Sonne 2x β-zerfall => langsam p Sonne würde sonst viel schneller abbrennen Sonne starke Neutrino-Quelle Wasserstoff p p p n p p n Helium einzige Information aus dem Innern der Sonne

10 Messung von Neutrinos aus der Sonne νe Messungen führten zu überraschenden Ergebnissen Neutrinos verhalten sich anders als erwartet νe νe

11 Europäische Wissenschaftler beim Studium der Neutrinos

12

13 Die Elementarteilchen-Familie Neutrino unser Nesthäckchen: es ist das leichteste und schwächste es kam unerwartet es verhält sich oft komisch alles dreht sich nur um das Kleine

14 Reaktor-Neutrinos in Dresden!!! Krümmel, Stade Brokdorf, Brunsbüttel Unterweser ν /cm 2 /sec Reaktoren insgesamt 0,4 Mio ν /cm 2 /sec Ignalina ν /cm 2 /sec Gronde ν /cm 2 /sec Cattenom Chooz ν /cm 2 /sec Grafenrheinfeld, Biblis, Obrigheim, Philippsburg, Neckarwestheim ν /cm 2 /sec Neteshin, Ukr Rovno, Ukr. Chernobyl Ukr 2000 ν /cm 2 /sec Bohunice Slov ν /cm 2 /sec Gösgen, Leibstadt, Beznau ν /cm 2 /sec Fessenheim ν /cm 2 /sec Isar ν /cm 2 /sec Gundremmingen ν /cm 2 /sec Temelin ν /cm 2 /sec Dukovani ν /cm 2 /sec

15 Urknall-Neutrinos in Dresden!!! Reaktoren insgesamt 0,4 Mio ν /cm 2 /sec Urknall-Neutrinos ~ Mio ν /cm 2 /sec Geo-Neutrinos 5 Mio ν /cm 2 /sec Sonnen-Neutrinos Mio ν /cm 2 /sec

16 Neutrinos sind (neben Strahlung) die häufigsten (bekannten) Teilchen im Universum νe νe νe 340 Mio. ν pro m 3 überall (auch hier im Hörsaal)

17 Die ganze Verwandtschaft Familie Tau Familie Muon Familie Elektron Muon-Teilchen 100 /m 2 /sec aus kosmischer Strahlung

18 Die ganze Verwandtschaft Familie Tau Anti-Teilchen Familie Muon Familie Elektron

19 Standardmodell - Ist das die ganze Wahrheit? p Fragen: n e - plus Kräfte: Asymmetrie Materie-Antimaterie? Wieso sind Neutrinos so leicht? Sind die Kräfte verschiedene Formen einer Urkraft? keine Antworten mit den bisher experimentell bewiesenen Theorien und Modellen Gravitation elektromagnetische Kraft schwache Kraft starke Kraft größere Vielfalt an Elementarteilchen?

20 Neue, schwere Elementarteilchen p n???? e -?? plus Kräfte: Gravitation elektromagnetische Kraft schwache Kraft starke Kraft?? neue Kräfte?

21 Suche nach neuen Elementarteilchen Physik jenseits des Standardmodells???? Large Hadron Collider CERN - Genf????

22 Elementarteilchen Struktur des Universums u e d?

23 Masse des Universums? u e Größe des Universums Ω < 1 Zeit Ω > 1 Zeit Ω= 1 kritische Dichte Universum flach (euklidische Geometrie) entspricht 5 GeV / m 3 5 Protonen / m 3 d?

24 Bilanz aller Massen, die wir sehen können Dichte der sichtbaren Masse (emittiert oder absorbiert elektromagnetische Strahlung) Ω lum 0.01

25 3. Keplersches Gesetz Zusammenhang zwischen Umlaufzeit T und Bahnradius a der Planeten im Sonnensystem T 2 ~ a 3 T 2 x x x x x x F zentr ~ v 2 /a F grav ~ 1/a 2 => v 2 ~ 1/a a 3 Bahngeschwindigkeit x x ~ 1 a außerhalb der zentralen Masse (Sonne) x x x x x x a

26 Dunkle Materie im Universum Rotationskurven: Bahngeschwindigkeiten der Sterne als Funktion des Abstandes zum Zentrum der Galaxie F centr ~ v 2 /a F grav ~ 1/a 2 => v 2 ~ 1/a Geschwindigkeit zu hoch Zentrifugalkraft zu hoch zusätzliche Gravitationskraft Kepler sches Gesetz ~ 1 a Abstand zum Zentrum => unsichtbare Masse = Dunkle Materie Ω mat > Ω lum 0.01

27

28

29 vorhandene Materie sichtbare Materie Staub, Gas, sichtbar Ω mat 0.27 Ω lum 0.01 Ω bar 0.04

30 Materie im Universum Ω mat ~ 0.27 woraus besteht die dunkle Materie? u normale baryonische Materie 0.04 davon sichtbar ~ 0.01 d e?????? dunkle Materie 0.23

31 Wechselwirkungen der Bausteine Gravitations - Kraft Sonnensystem, Galaxien etc. Masse n p e Elektromagnetische (Coulomb)- Kraft Ladung n p e Atomhülle, Materie um uns herum Kern - Kraft Baryon n p Atomkerne. Schwache - Kraft alle e Beta-Zerfall n p

32 νe gesucht Ω Dunkle Materie = 0.23 => entspricht 1 / m 3 gibt es (im Mittel) nur eines alle 5 m 3 Ω Baryon = 0.04 ν -Masse νe νe kleiner aber ν pro m 3 => könnte für bis zu Ω = 0.3 ausreichen

33 Alles voller Dunkler Materie Wer war das wohl! warst du das mal wieder? nee wirklich ich kann nichts dafür χ.. n.... p e

34 Bildung der Strukturen im Universum Dunkle Materie wenn der überwiegende Teil der Materie aus Dunkler Materie besteht, dann dominiert sie auch die Strukturbildung => Ist Strukturbildung mit Neutrinos möglich?

35 Bildung der Strukturen im Universum eine Wolke mit Überdichte kollabiert durch die Anziehung der Gravitation dazu benötigt sie eine gewisse Zeit Kollaps-Zeit die Teilchen aus denen die Wolke besteht fliegen in alle Richtungen durchqueren die Teilchen die Wolke schneller als Kollaps-Zeit Struktur wird verwischt fliegt auseinander, bevor sie sich bilden kann je leichter die Teilchen, desto schneller sind sie, umso mehr werden kleine Strukturen verwaschen

36 Bildung der Strukturen im Universum mit Neutrinos ohne Neutrinos Messung der großräumigen Struktur Sloan Digital Sky Survey Richtung und Entfernung von Millionen von Galaxien

37 Bildung der Strukturen im Universum mit Neutrinos ohne Neutrinos Ω < 0.02 ν Σmν i < 1.2eV Best Limit!

38 νe Messung der großräumigen Struktur im Universum bisher beste Messung der Masse des Neutrinos! Neutrinomasse kleiner νe Aber Dunkle Materie besteht nicht (hauptsächlich) aus Neutrinos νe

39 Zusammensetzung der Materie im Universum ν zu leicht d u Ω mat ~ 0.27 normale baryonische Materie 0.04 der überwiegende Teil der (kalten) Dunklen Materie besteht aus bisher unbekannten Elementarteilchen e < ν < 0.02 (HDM)? ähnlich ν nur sehr viel schwerer kalte Dunkle Materie (CDM) 0.23

40 Alles voller Dunkler Materie Wer war das wohl! Feigling engl. WIMP χ.. n.... p e

41 Zusammensetzung der Materie im Universum Ω mat = 0.27 ± 0.04 d u normale baryonische Materie 0.04 e < ν < 0.02 (HDM) ähnlich ν nur sehr viel schwerer Weakly Interacting (schwach wechelwirkendes) Massive Particle (schweres Teilchen)? kalte Dunkle Materie (CDM) 0.23 WIMP

42 Dunkle Materie Suche nach Physik jenseits des Standardmodells?? ~85% der Masse des Universums ist unbekannt nicht-baryonisch Kosmologische Beobachtungen?? Neue Modelle (z.b. Supersymmetrie) Teilchen-Physik Suche nach neuen Teilchen?? neue Elementarteilchen?? spannend: Modelle / Theorien zur Erweiterung der Teilchenphysik enthalten perfekte Kandidaten für kalte Dunkle Materie (WIMP)

43 WIMP - Direkter Nachweis als Bestandteil der Dunklen Materie Dunkle Materie-Teilchen stoßen nur den Atomkern an! Prinzip der meisten Detektoren: Nachweis der Reaktionen mit Atomhülle (Ladungs- oder Licht-Erzeugung) => kaum Ladung / Licht Neuartige Detektoren erforderlich!

44 WIMP - Direkter Nachweis als Bestandteil der Dunklen Materie Dunkle Materie-Teilchen stoßen nur den Atomkern an! Prinzip der meisten Detektoren: Nachweis der Reaktionen mit Atomhülle (Ladungs- oder Licht-Erzeugung) => kaum Ladung / Licht Neuartige Detektoren erforderlich!

45 WIMP - Direkter Nachweis Weakly Interacting Massive Particles = WIMPs Elastische Streuung an Atomkernen in einem Detektor Kernrückstöße: geringe Effizienz zur Erzeugung von Ladung und Licht nur wenige kev Energie χ - Wirkungsquerschnitt - lokale WIMP-Dichte - Geschwindigkeit σ χ < cm 2 ρ χ =0.3 GeV / cm 3 v ~ 270 km/s entspr. 3 WIMPs (100GeV) / liter /s /cm 2 => ~ 500 Mio Teilchen pro Sekunde durch unseren Körper Dennoch: sehr seltene Streuereignisse (< 0.1 / Tag / kg)

46 Radioaktivität in der Umgebung Uran Thorium Cäsium Detektor Kalium Radon etc,... Zählrate, Spektrum erforderliche Sensitivität ~ 1 Ereignis / kg / Woche (in Zukunft noch 100 x weniger) Umgebungs-Radioaktivität: > 1Hz/kg ~ 10 7 Ereignisse /kg /Woche => saubere Abschirmung: (altes) Pb, Cu

47 Innerster Teil einer Abschirmung aus Blei oder Kupfer

48 210 Pb in Blei-Abschirmung 22 Jahre Halbwertszeit => altes Blei

49 Experiment unter Reinraum-Bedingungen, um Staub (Radioaktivität) zu vermeiden

50 Aufbewahrung der Detektoren in Stickstoff-Atmosphäre, um Kontakt mit Radon (aus der Luft) zu vermeiden

51 Kosmische Strahlung (Muonen) Detektor Zählrate, Spektrum erforderliche Sensitivität ~ 1 Ereignis / kg / Woche (in Zukunft noch 100 x weniger) Muonen ~ 0.1Hz/kg: ~ 10 6 Ereignisse /kg /Woche ~ 1.5 km Gestein erforderlich => Untergrund-Labor

52

53 Untergrund-Labore für die Suche nach seltenen Ereignissen Suche nach Dunkler Materie Neutrino-Nachweis Spurenelement-Nachweis... Laboratoire Souterrain de Modane, France IUS Institute of Underground Science in Boulby mine, UK LSC Laboratorio Subterraneo de Canfranc, Spain LNGS Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy Gran Sasso Labor Abschirmung 1.5km Fels

54 Suche nach Dunkler Materie im Gran Sasso Untergrund Labor

55 Suche nach Dunkler Materie im Gran Sasso Untergrund Labor

56

57 ????????

58 Wo stehen wir heute? Teilchen bisher nicht gefunden! Sensitivität: 1 Messereignis pro kg in zwei Wochen Detektormasse: einige kg, Detektoren? Wo müssen wir hin? einige Messereignisse pro 100 kg in einem Jahr sorgfältiger (sauberer) Ausbau mehrere 1000 Detektoren, ingesamt ~ 1t europäische Zusammenarbeit

59 Dunkle Materie Das Ziel! Physik jenseits des Standardmodells Teilchen identifiziert? neue Teilchen erzeugt? enge Verbindung Astrophysik und Teilchenphysik

60 p?? n?????? e - Boulby Canfranc Modane Gran Sasso enge Verbindung Astrophysik und Teilchenphysik