Dunkle Materie. Jan Schäffer

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1 Dunkle Materie Jan Schäffer 19. Juli 2010

2 Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise Widersprüche zu Keplers Gesetzen Gravitationslinsen Bullet Cluster Kosmische Hintergrundstrahlung Ansätze zur Erklärung Normale Materie Exotische Materie Millennium Simulation Kandidat: Neutrino Supersymmetrie Kandidat: Neutralino MoNd Suche nach Beweisen Suche nach WIMPs Orpheus CDMS-II LHC Suche mit Neutrinos IceCube MINOS Dunkle Energie Abbildungsverzeichnis 13 2

3 Kapitel 1 Hinweise 1.1 Widersprüche zu Keplers Gesetzen Fritz Zwicky (Schweizer Astronom) beobachtet Bewegungen im Coma Galaxienhaufen (1933) Rotationsgeschwindigkeiten sind viel zu schnell für die Schwerkraft der sichtbaren Materie Zehn mal mehr Materie wäre notwendig Spätere Beobachtungen bestätigen dies Dunkle Materie wird postuliert Abbildung 1.1: Gemessene Geschwindigkeiten (blau) und theoretische Vorhersagen nach Kepler (rot) 1.2 Gravitationslinsen Große Masseansammlungen (z.b. Galaxienhaufen) lenken licht durch Gravitation ab, man sieht ein verzerrtes Bild 3

4 Masse der Gravitationslinsen kann berechnet werden Masse zu groß für sichtbare Materie Dunkle Materie? Abbildung 1.2: Gravitationslinse 1.3 Bullet Cluster Kollision zweier Galaxienhaufen Gase wechselwirken und Bremsen sich gegenseitig aus Aber: Masse bewegt sich ungebremst weiter Dunkle Materie mit extrem schwacher Wechselwirkung Abbildung 1.3: Pink: heißes Gas, sendet Röntgenstrahlen aus (NASA-Satellit Chandra), Blau: Ort der Materie (Lichtablenkung) 4

5 1.4 Kosmische Hintergrundstrahlung Dichtefluktuation der Materie Grund könnte Dunkle Materie sein Fluktuationen wachsen durch Expansion, ziehen sich später wegen Gravitation wieder zusammen Potentialbrunnen enstehen, in die die normale Materie hineinfällt Bildung von Galaxien und Sternen Heutige Vermutung: Alle Galaxien liegen in Halos Dunkler Materie Abbildung 1.4: Emission kosmischer Hintergrundstrahlung unserer Galaxie, aufgenommen vom Cosmic Background Explorer Satellit (COBE) 5

6 Kapitel 2 Ansätze zur Erklärung 2.1 Normale Materie Normale Materie = Baryonische Materie Wurde bisher nicht gefunden muss versteckt sein Objekte die kein Licht produzieren und hohe Dichte haben Abbildung 2.1: Liste möglicher DM-Verstecke; M = Sonnenmasse = 1, kg Aus Berechnungen geht hervor, dass maximal 6% der Masse des Universums baryonisch ist Großteil der DM muss nicht-baryonisch sein 2.2 Exotische Materie Vorüberlegung zur exotischen dunklen Materie: Ist DM heiß oder kalt? Heiße DM: leichte und schnelle (v c) Teilchen Kalte DM: schwere und langsame (v«c) Teilchen 6

7 2.2.1 Millennium Simulation Simuliert Strukturbildung im Universum Vor dem Urknall: Größenordnung cm s danach: Expansion um das fache Modellannahme: Homogene Verteilung aller Teilchen Dann: einschalten der Wechselwirkung zwischen den Teilchen Es zeigt sich: Abbildung 2.2: Vom Urknall bis heute Modelle ohne dunkle Materie bilden keine Cluster Gravitation zu gering Modelle mit heißer dunkler Materie bilden keine Cluster Verwirbelungen durch hohe Geschwindigkeiten Modelle mit kalter dunkler Materie bilden Cluster Struktur wie wir sie im Universum vorfinden Großteil der DM muss kalt sein Link zu Videos der Millennium Simulation: Kandidat: Neutrino Benötigt eine Masse von ca. 1eV um Phänomene zu erklären (Vergleich: m p 940MeV) Masse erscheint winzig, aber Anzahl der Neutrinos ist um einen Faktor größer als die der Baryonen Problem: Neutrinomasse im Standardmodell auf Null gesetzt Größeres Problem: Neutrinos sind heiße Teilchen (Widerspruch zur Strukturbildung) 7

8 2.2.3 Supersymmetrie Wir wissen: Standardmodell ist nicht die letzte Wahrheit beschreibt nicht die gravitative Wechselwirkung Verschiedene Modelle zur Erweiterung des Standardmodells Postulate neuer Teilchen Supersymmetrie (SuSy) postuliert zu jedem Teilchen einen supersymmetrischen Partner Stabiles, leichtestes, neutrales supersymmetrisches Teilchen: Neutralino Problem: Bisher konnte kein Supersymmetrie Partner gefunden werden Abbildung 2.3: Standard Teilchen und ihre supersymmetrischen Partner Kandidat: Neutralino Durch SuSy postuliert Stabil, elektrisch Neutral, Masse zwischen GeV (kaltes Teilchen) Wechselwirkt extrem schwach mit normaler Materie Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Problem: Bisher kein experimenteller Nachweis Allerdings: SuSy wurde unabhängig zur DM vorgeschlagen, erklärt diese jedoch 8

9 Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Halo unserer Galaxie Neutralinos sitzen im Halo unserer Galaxie Dichte ungefähr 320MeV/cm 3, Geschwindigkeit ungefähr 270km/s Erwartete Raten in Detektoren wg. extrem schwacher Wechselwirkung bei weniger als 1 pro kg Detektormaterial pro Tag Sehr schwer nachweisbar 2.3 MoND Idee: Zusammenhang zwischen ( newton scher und gravitativer Beschleunigung wird a modifiziert: a n = a µ a 0 ). a 0 ist eine noch nicht näher bekannte Naturkonstante. Häufig benutzte Formel (konstruiert): ( ) a a a µ = 0 a 0 ( ) 2 a 1 + a 0 ( ) { a 1 a >> a0 ( Zentrum) µ = a a 0 a 0 a << a 0 ( Außenregionen) Mit diesem Ansatz folgt für die Rotationsgeschwindigkeiten in Außenregionen: v = 4 GMa 0 = konstant. Konstante Geschwindigkeiten werden beobachtet (Siehe 1.1). Daraus kann die eingeführte Naturkonstante zu a m s bestimmt werden. 2 Problem: Bullet Cluster Beobachtete Effekte können nicht durch MoND vorher gesagt werden Es müsste eine andere Art der dunklen Materie eingeführt werden, um das Modell zu retten Heiße Neutrinos (ca. 2eV, heiße DM) Widerspruch zur Strukturbildung 9

10 Kapitel 3 Suche nach Beweisen 3.1 Suche nach WIMPs Extrem schwache Wechselwirkung der WIMPs sehr geringe Rückstoßenergien werden freigesetzt extreme Bedingungen für Experimente Temperartur bei -273 C sehr geringe Wärmekapazität s.g. Cryogenic Detectors Orpheus (Bern), CDMS-II (Minnesota) Suche ebenfalls am LHC Orpheus Suche nach freien WIMPs aus dem Universum 70m unter der Erde um Störungen zu minimieren Besteht aus Milliarden kleiner Zinnkörner im supraleitendem Zustand, von außen angelegtes Magnetfeld kann diese nicht durchdringen (Meißner- Ochsenfeld-Effekt) Bei Wechselwirkung mit Wimp: Flip in normalleitenden Zustand Änderung des Magnetfelds kann detektiert werden CDMS-II Suche nach freien WIMPs aus dem Universum Forschungseinrichtung in ehemaligem Bergwerk Besteht aus viel abschirmendem Material, in die Detektorkristalle eingebaut sind Bei Wechselwirkung mit Wimp: elastischer Stoß und entstehen eines Phonons im Kristall 10

11 Diese lösen Elektronen in der Aluminiumhülle, diese versetzen supraleitendes Wolfram in normalleitenden Zustand Detektierbar LHC Keine direkte Suche nach DM Es sollen neue schwere Teilchen erzeugt werden können, z.b. SuSy-Teilchen Falls das gelingt: Neutralinos heißester Kandidat für Kalte DM Prüfung ob Neutralinos in gefundener Form die Phänomene erklären können Gesucht wird in den Detektoren ATLAS und CMS 3.2 Suche mit Neutrinos IceCube Suche nach kosmischen heißen Teilchen Forschungsstation am Südpol Sensoren in m Tiefe Teilchen wechselwirken mit Eis-Teilchen, erzeugen z.b. (im Fall von Myon- Neutrinos) Myonen, die Tscherenkov-Strahlung freisetzen Aus Ankunftszeiten an den Detektoren wird die Richtung und die Quellen der Teilchen bestimmt Man erhofft sich: Aufschluss über Quellen kosmischer Strahlung, Entdeckung von Supernovae und Strahlungsausbrüchen (z.b. aus schwarzen Löchern), sowie die Detektion von heißen unbekannten Teilchen, die zur DM beitragen könnten MINOS Ziel: Detektion von erzeugten Neutrinos und genaueres bestimmen ihrer Masse Minosdetektor in ehemligem Bergwerk in Minnesota Erzeugung von Myonneutrinos am Fermilab in Chicago und Beschuss des MINOS-Detektors (735km vom Detektor Distanz) Neutrinos oszillieren zum Teil in andere Flavors Differenz der Massenquadrate kann bestimmt werden 11

12 3.3 Dunkle Energie Beobachtung von Supernova-Explosion und Bestimmung des Abstandes Ergebnis: Universum dehnt sich mit zunehmener Beschleunigung aus Phänomen benötigt negativen Druck Postulat: Dunkle Energie Ca. 70% der Energie im Universum ist dunkle Energie Ihre Gravitation muss abstoßend sein Abbildung 3.1: Zusammensetzung des Universums 12

13 Abbildungsverzeichnis 1.1 Gemessene Geschwindigkeiten (blau) und theoretische Vorhersagen nach Kepler (rot) Gravitationslinse Pink: heißes Gas, sendet Röntgenstrahlen aus (NASA-Satellit Chandra), Blau: Ort der Materie (Lichtablenkung) Emission kosmischer Hintergrundstrahlung unserer Galaxie, aufgenommen vom Cosmic Background Explorer Satellit (COBE) Liste möglicher DM-Verstecke; M = Sonnenmasse = 1, kg Vom Urknall bis heute Standard Teilchen und ihre supersymmetrischen Partner Schematische Darstellung des Halo unserer Galaxie Zusammensetzung des Universums