Kaluza-Klein Dark Matter Exotische Kandidaten der Dunklen Materie

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1 Kaluza-Klein Dark Matter Exotische Kandidaten der Dunklen Materie Dunkle Materie Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik Seminarvortrag vom 15. Mai 2007 Anna Nelles 1

2 Inhalt Einführung: Warum brauchen wir Dunkle Materie? Kaluza-Klein Theorien mit zusätzlichen Dimensionen Warum ist Kaluza-Klein ein ernst zu nehmender Kandidat? Detektionsmöglichkeiten Weitere Kandidaten und Detektionsmöglichkeiten Axionen Technicolor Theorien Superheavy Dark Matter 2

3 Belege für Dunkle Materie 1933: Zwicky: Dunkle Materie, auf Grund des Problems der fehlenden Masse im Coma-Cluster Bullet-Cluster Mittlerweile gilt die Existenz Dunkler Materie gesichert Akkurateste Messungen der Kosmologischen Konstanten aus WMAP 3

4 Was ist Dunkle Materie? Baryonische Materie MACHOS (Massive Compact Halo Objects) Braune Zwerge, M 0,1 M Sonne Riesenplaneten Schwarze Löcher M 0,001 M Sonne M 100 M Sonne Bisherige Ergebnisse: MACHOS höchstens 20% der Dunklen Materie Bisher nicht entdeckte (sehr schwere) Teilchen baryonisch Nicht-Baryonische Materie WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) Neutrale Teilchen Wechselwirkung: Gravitation und schwach Neue Teilchen 4

5 Eigenschaften Dunkler Materie Elektrisch neutral, Wechselwirkt nur schwach Einziges SM Teilchen: Neutrino Neutrinos stark relativistisch; heiße Materie, Strukturen im Universum verschmieren, heiße Materie klumpt nicht Auch Kalte Dunkle Materie (CDM) notwendig Vorgeschlagene Kandidaten müssen in der Lage sein, für die berechnete Menge an Dunkler Materie aufzukommen 5

6 Neue Teilchen SM kann Dunkle Materie nicht vollständig erklären Neue Modelle, deren Teilchen die gesuchten Eigenschaften haben Supersymmetrie (SUSY), mehrere potentielle Kandidaten LSP, z.b. Neutralino Kaluza-Klein Dunkle Materie Axionen Technicolor Teilchen Superheavy Dunkle Materie Die Theorien sind den Experimenten voraus, man erklärt nicht Ergebnisse, sondern entwirft Teilchen nach denen gesucht wird 6

7 Kaluza-Klein Dunkle Materie Vereinigung vom Elektromagnetismus und Gravitation: Kaluza (1921): fünfdimensionale Raumzeit Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie in Einsteinschen Feldgleichungen und Maxwell Gleichungen aufspaltbar Klein (1924) : zusätzliche Dimension ist kompaktifiziert, dh. eingeschränkt auf R Theodor Kaluza Oskar Klein Keine vollständig vereinheitlichende Theorie; Probleme mit Fermionen der Ansatz gilt vielversprechend für neue Teilchen 7

8 Auswirkungen auf Teilchen Nach Kaluza-Klein: zusätzliche Dimensionen so klein, für uns nicht auflösbar Mannigfaltigkeiten der Größe R Standard-Teilchen, die in die zusätzliche Dimension propagieren, erhalten zusätzliche kinetische Energie, die uns als zusätzliche Masse erscheint Klein-Gordon Gleichung, 5 Dimensionen 5. Dimension Fourier-Transformation Klein-Gordon Gleichung, 4 Dimensionen Neue Masse 8

9 Universal Extra Dimensions Kaluza-Klein Tower Im Modell der Universal Extra Dimensions (UED) : alle Standardfelder können in die zusätzliche Dimension propagieren dh. alle SM Teilchen haben KaluzaKlein Anregungen einen Stapel von Zuständen mit zusätzlicher Masse, den Kaluza-Klein Tower Viele Kaluza-Klein Anregungen kommen für Dunkle Materie in Frage kommen Sie müssen jedoch stabil sein Die Anzahl an Freiheitsgraden wird durch die korrekte Wahl der Mannigfaltigkeit bestimmt 9

10 UED Die Form der zusätzliche Dimension wird auf eine Mannigfaltigkeit bestimmt Kreisförmige Dimensionen würden zusätzliche masselose skalare Freiheitsgerade liefern Da die fünfte Komponente eines Vektorfeldes, sich unter einer LorentzTransformation, wie ein Skalar verhält Leichte skalare Felder wurden bisher nicht beobachtet Somit ergeben sich die Symmetrien: y~2 R y Für die Felder ergibt sich dann nach Fourier: und y~2 R y 10

11 LKP (Lightest Kaluza-Klein Particle) An der Grenzen der Mannigfaltigkeit wird Translationsinvarianz verletzt Problem: extra-dimensionale Impulserhaltung Form der Mannigfaltigkeit: Translationen um R bringen die Fixpunkte der Mannigfaltigkeit zur Deckung Erhaltungsgröße auf Grund von Fourier-Transformationen: Daher Erhaltungsgröße: KK-Parität 1 n n ist die Summe aller KK-Anregungen n_i aller interagierenden Teilchen Auf Grund der Erhaltung der KKParität ist das LKP stabil Das LKP: möglich erste Anregung des Hyperladungs-Eichbosons oder eines Neutrino Interessanter Kandidat 11

12 Bestimmung der Überrest-Dichte (Relic Density) Guter Kandidat, falls LKP in der Lage ist, für die richtige Menge an Dunkler Materie aufzukommen Bestimmung der Relic-Density Zu lösende Form der Boltzmann-Gleichung Näherung: Boltzmann-Gleichung Gleichgewichtsdichte Freeze-Out Ersetzungen: 12 Nach G. Servant und T. Tait

13 Berechnung der Überrest-Dichte Nummerische Bestimmung von: Freeze-Out Temperatur und a,b aus Wirkungsquerschnitt Hierbei Vernachlässigung der Co-Annihilationen Masse des LKP: 0,5 TeV mkk 1 TeV Knapp über den heutigen Beschleuniger-Grenzen Neuste Werte (WMAP): 2 h =0,131 0,010 0,004 13

14 Detektionsmöglichkeiten Direkte Detektion Detektoren mit besonders schweren Kernen sind geeignet Bisher m > 0,4 TeV mit Edelweiss Neue Experimente sollen diesen Bereich deutlich weiter ausreizen XENON EDELWEISS Indirekte Detektion Verschiedene Signal möglich Oft nur Möglichkeit eines Ausschlusses GENUIS CDMS 14

15 Galaktische Massenverteilung Modelle zur indirekten Detektion basieren auf Annahmen über die Form des Galaktischen Halos Boost-Faktor : Wahrscheinlichkeit einer Reaktion Form der Profile noch nicht abschließend geklärt flach/zackig/unregelmäßig Form der Halos hängt mit Art der Dunklen Materie zusammen 15

16 Detektion im Gamma-Spektrum Gamma-Spektrum vorteilhaft Propagiert quasi ungehindert Bereiche mit hoher Dichte von Dunkler Materie können direkt untersucht werden Im Gamma-Spektrum können Photonen aus der Annihilation von Kaluza-KleinTeilchen nachgewiesen werden 16

17 Besonderheiten im Gamma-Spektrum Energieauflösung des Detektors Spektrum für KK-Teilchen: 800 GeV Kontinuierliches Spektrum mit scharfen Cut-Off gestrichelt 2% gepunktet 1% Strichpunkte 0,5% 17

18 Unterschied zu einem Neutralino-Signal durchgezogen: Neutralino gestrichelt: LKP Simulation eines Neutralino Signals Unterschied zu dem Signal eines LKP deutlich 18

19 Bisherige Messungen im Gamma-Spektrum Daten des HESS Teleskopes Vergleich mit dem kontinuierlichen Fluss Daten bei höherer Energie werden erwartet 19

20 Signal in den Kosmischen Antiprotonen und Positronen Antiprotonen und Positronen können nicht ungehindert propagieren Deutlicher Hintergrund erwartet PEBS HEAT PAMELA AMS 20

21 Detektion durch Kosmische Positronen Reichweite verschiedener Experimente Daten von HEAT Blau: erwarteter Wirkungsquerschnitt Deutliche Abweichung vom Untergrund, Cut-Off 21

22 Detektion durch Kosmische Antiprotonen Modell möglicher Signale Unterschiedliche Massen Unterschiedliche HaloStrukturen Ausblick auf mögliche zu erwartende Ergebnisse Untergrund nicht zu vernachlässigen 22

23 Axionen Gilt als Lösung des starken CP-Problems CP-Verletzung hier zugelassen, allerdings experimentell nicht beobachtet Globale Quasi-Symmetrie U PQ 1 mit spontaner Brechung a(x) Axion-Feld : 6 Goldstone-Boson 3 10 ev m a 10 ev Unsichtbare Axionen 23

24 Axionen Axionen sind elektrisch neutral und gute Kandidaten für Dunkle Materie Henry Primakoff Axionen können über den Primakoff-Effekt detektiert werden 24

25 Mikrowellen-Kavitäten In Wechselwirkung mit einem statischen Magnetfeld werden Photonen erzeugt Charakteristische Frequenz Variable Resonanz-Frequenz Starke Magnetfelder 25

26 Ergebnisse der Suche nach Axionen Experimente: Kavitäten Sonnenexperimente Erzeugungsexperimente Bisher noch kein Nachweis 26

27 Technicolor Dunkle Materie Idee Technicolor: Elektroschwache Symmetriebrechung Neue Eich-Theorie SU(2): Technicolor Teilchen bekommen Techni-Partner Probleme: Flavor verändernde neutrale Ströme, leichte Goldstone Bosonen, Präzisionsmessungen Walking Technicolor Erweiterung des einfachsten Modells zur Vermeidung der Probleme Die Kopplung verändert sich langsam, sie geht Minimal Walking Technicolor Modell nutzt Zusammenhang zwischen supersymmetrischen und nicht-supersymmetrischen Eichtheorien 27

28 Minimal Walking Technicolor Zwei Techniflavors Techni-Up (U) und Techni-Down (D) Globale Symmetrie SU(4) bricht spontan zu SO(4) Neue Leptonen Generation Hyperladung:, R, R 3y 1 /2 (Witten Anomalie) 3y 1 / 2 9 Goldstone Bosonen: 3 sind W und Z Bosonen 3 sind 3 sind zugehörige Antiteilchen U LU L, D L DL, U L DL mit Ladungen y 1, y 1, y y kann beliebige Werte annehmen 28

29 Technifermions Wahl des y : Boson oder Fermion wird Kandidat für Dunkle Materie y = 1/3 neues Neutrino ist elektrisch neutral Stabil, mixt kaum/nicht Kandidat: Technifermion Masse: O (100 GeV) Dirac Neutrino oder Majorana Neutrino 29

30 Techniboson y=1 DD Goldstoneboson ist elektrisch neutral Annahme: Thermisches Gleichgewicht, Universum elektrisch neutral stabil Kandidat: Techniboson = L / B Technifermionen oder Technibosonen können nur für % der Dunklen Materie aufkommen 30

31 Detektion Techniteilchen als Dunkle Materie: Experimente der Direkten Detektion Bestätigung des Technicolor Modells: Detektion möglicher Zerfallsprodukte, Beschleuniger Experimente 31

32 Superheavy Dunkle Materie (SDM) Erklärungsansatz für UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays) GZK-Cutoff wird nicht beobachtet E 1019 ev Teilchen können 50 Mpc weit gelangen p p 0 p n 0 Wechselwirkung mit kosmischer Hintergrundstrahlung Klärung durch Auger-Experiment erwartet 32

33 Superheavy Dark Matter im Standard Modell Erklärung durch eine Superheavy Dunkle Materie Masse von m SDM GeV Massenskala der Inflation Meta-Stabil, d.h. Lebensdauer länger als Alter des Universums Für Anderenfalls sehr schwache Kopplung nötig M X M pl GUT ~1016 GeV p groß, d.h. nicht rennormierbar 33

34 Produktion der SDM und Überrest-Dichte SDM sollte in der Phase der Aufheizung entstanden sein Die Energien sind jedoch im Prinzip nicht hoch genug E 10 9 GeV Verschiedene Inflationsmodelle machen es möglich: Oszillationen, kein Erreichen des thermischen Gleichgewichtes usw. Favorisiert: starke Gravitation gegen Ende der Inflation Im Übergang vom Quanten-Vakuum zum Ende der Inflation Bestimmung einer Überrest-Dichte möglich SDM als dominante Komponente möglich 34

35 Dunkle Energie und SDM Druck P = mit =0 ; =1/ 3 ; = 1 (CDM, HDM, Konstante) q 1 wird von Supernovae-Daten unterstützt, WMAP: = 1±0,22 SDM erzeugt im langsamen Zerfall ein skalares Feld, dessen Kondensation Dunkle Materie Effekte erklärt Sehr langsamer Zerfall ersetzt fine-tuning SDM erklärt Dunkle Energie und Dunkle Materie 35

36 Weitere Kandidaten Q-Balls Mögliche Konsequenz aus SUSY-Erweiterungen Nicht topologische Solitons, lokale Stabilität durch Ladungserhaltung Komplexes stabiles skalares Feld mit Teilchenzahlerhaltung Hier keine vollständige und abschließende Vorstellung aller Kandidaten möglich 36

37 Kandidaten der Dunklen Materie Kandidaten der SuperSymmetrie (SuSy) Neutralino Dunkle Materie nach Kaluza-Klein KKDM bzw. LKP Axionen Technicolor Dunkle Materie Superheavy Dunkle Materie SDM Weitere Kandidaten... Q-Balls... Die neusten Experimente werden hoffentlich klären woraus Dunkle Materie besteht. 37