Die Dunkle Seite des Universums Berner Physiker auf der Suche nach Dunkler Materie

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1 Die Dunkle Seite des Universums Berner Physiker auf der Suche nach Dunkler Materie Marc Schumann AEC, Universität Bern Seniorenuniversität Bern, 11. Oktober

2 normale Materie Dunkle Materie? 95% des Dark Matter Search with XENON Universums istschumann dunkel Universität Zürich Marc Albert Einstein Center for Fundamental Physics, Bern, Dunkle Energie????

3 Was ist (Dunkle) Materie? Woher wissen wir, daß es Dunkle Materie gibt? Wie suchen wir nach Dunkler Materie?

4 Normale Materie 1 m = 100 m 10 cm = m 1 mm = m 10 µm = m 10 nm = m Quelle: P.& P. Morrison: Zehn Hoch. Dimensionen zwischen Quarks und Galaxien. Spektrum-Verlag, 2002

5 Chemie

6 Normale Materie 1 m = 100 m 10 cm = m 1 mm = m Elektronenhülle Atomkern 10 µm = m 10 nm = m 0.1 nm = m 1 nm = m Quelle: P.& P. Morrison: Zehn Hoch. Dimensionen zwischen Quarks und Galaxien. Spektrum-Verlag, 2002

7 Kernphysik und Radioaktivität Die Nuklidkarte γ Blei γ Wasserstoff Eisen γ

8 Teilchenphysik am CERN

9 Teilchenphysik Higgs Boson

10 H µµµµ

11 Astroteilchenphysik WIMP

12

13 Galaktische Rotationskurven Erwartung: Kepler Rotation (wie im Sonnensystem) 13

14 Galaktische Rotationskurven Erwartung: Kepler Rotation (wie im Sonnensystem) Scheibe Bulge 14

15 Galaktische Rotationskurven Messung: Flaches Rotationsprofil Dunkle Materie Simulation des Universums Scheibe Bulge 15

16 Nicht alles was nicht leuchtet... 16

17 ist auch dunkel. 17

18 Benötigte Eigenschaften: unsichtbar kalt (= langsam ) kaum Kollisionen stabil Kein bekanntes Teilchen hat diese Eigenschaften wir brauchen etwas Neues...

19 WIMPs = weakly interacting massive particles (schwach wechselwirkende massive Teilchen)

20 Die Suche Direct Detection Indirect Detection 20

21 Direkte Suche nach Dunkler Materie Wieviel gibt es hier? kanonischer Wert: 0.3 p /cm³

22

23

24

25 Dual Phase TPC TPC = time projection chamber = Zeit-Projektionskammer xenon gas liquid xenon (LXe) 25

26 Image C. Levy (UBern) Münster) M.from Schumann (AEC Dunkle Materie 26

27 Szintillatoren Szintillator: Materialien, die eine Energiedeposition durch Teilchenstrahlung in Licht umwandeln Es gibt: Flüssig-, Edelgas-, Kristall-, Plastik-Szintillatoren Anregung + Ionisierung E Atom Bewegung Xe* +Xe Xe*2 Xe+ + e-+xe Xe+2 +e-- 2Xe + h Szintillations Licht Xe** + Xe Ionisierungs Elektronen Vorgänge in Xenon Plastikszintillator 27

28 Dual Phase TPC S2 Amplitude S1 S1 S2 S1 S2 Time 28

29 Dual Phase TPC pos HV E~10 kv/cm S2 (Ladung) E neg HV Amplitude S1 (Licht) S1 S2 S1 S2 Time E~1 kv/cm 29

30 Dual Phase TPC 3d Vertex Rekonstruktion Signal/Hintergrund Diskriminierung NR PRL 107, (2011) ER Astropart. Phys. 35, 573 (2012) ER (Hintergrund) 151 µs NR (Signal) 30

31 Radioaktivität Radioaktivität = unerwünschter Hintergrund bei der Suche nach seltenen Ereignissen Quelle: BAG Viele Atomkerne sind instabil ( natürliche Radioaktivität ),,, Neutronen-Strahlung 25% 5% 9% 11% 10% 40% Hochenergetische Teilchen aus dem All kosmische Strahlung 31

32 Abschirmung Neutronen Blei Polyethylen 5 cm Blei 32

33 XENON100

34 Radioaktivität Radioaktivität = unerwünschter Hintergrund bei der Suche nach seltenen Ereignissen Quelle: BAG Viele Atomkerne sind instabil ( natürliche Radioaktivität ),,, Neutronen-Strahlung 25% 5% 9% 11% 10% 40% Hochenergetische Teilchen aus dem All kosmische Strahlung 34

35 & Click 35

36 36

37

38

39 Laboratori Nazionali del Gran Sasso LNGS: 1.4km rock (3700 mwe)

40 LNGS 40

41 Alle Welt sucht... Homestake/SURF LUX WIPP DMTPC SNOLAB DEAP/CLEAN PICASSO COUPP Soudan CDMS-II CoGeNT YangYang KIMS Boulby DRIFT (ZEPLIN) (NaIAD) LSM Canfranc EDELWEISS ArDM LNGS XENON DAMA/Libra CRESST DarkSide (WArP) Kamioka XMASS NEWAGE Oto PICOLON JINPING Panda-X CDEX South Pole DM-Ice 41

42 Physiker bei der Arbeit... 42

43 XENON100 Resultat sieht mehr wie radioaktiver Hintergrund aus sieht mehr wie ein Signal aus (1.0 ± 0.2) Ereignisse erwartet 43

44 Wie sähe ein Signal aus? leichte Dunkle Materie schwere Dunkle Materie 44

45 XENON100 Resultat sieht mehr wie radioaktiver Hintergrund aus sieht mehr wie ein Signal aus (1.0 ± 0.2) Ereignisse erwartet 45

46 XENON100 Resultat bislang kein Zeichen von Dunkler Materie gefunden! sieht mehr wie radioaktiver Hintergrund aus sieht mehr wie ein Signal aus 46

47 Nichts gefunden und doch glücklich??? 47

48 Messung wieviele Ereignisse haben wir gesehen? Detektor wieviele Xenon-Atome befinden sich im Detektor? Lokale DM Dichte wieviel Dunkle Materie gibt es bei uns? Wird durch die WIMP-Masse geteilt. Physik wie wahrscheinlich ist es, dass ein WIMP mit einem Xe-Kern zusammenstößt? 48

49 Wahrscheinlichkeit Der aktuelle Stand der Dinge hypothethische Masse 49

50 XENON1T 50

51 XENON1T 51

52 Warum???

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