Dunkle Materie, was ist das? oder Die dunkle Seite des Universums

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1 Dunkle Materie, was ist das? oder Die dunkle Seite des Universums Planetarium Stuttgart, 9. Dezember, 2011 INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE Please insert a figure in the master transparency. KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 If it is not dark, it does not matter Dunkle Materie (DM): Grav. anziehend Dunkle Energie (DE): Grav. abstoßend Nur Materie, keine Antimaterie 2

3 Supersymmetrie (liefert Kandidat für DM) (Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen) One half is observed! One half is NOT observed! 3

4 Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY 4

5 Entwicklung des Universums in einer GUT 5

6 durch Vakuumenergie? Perlmutter Schmidt Riess Nobelpreis

7 Was ist Dunkle Energie? Vakuumenergie? Vakuumenergiedichte praktisch konstant. Materie- und Strahlungsdichte nehmen ab mit der Zeit. 7

8 Gibt es ein perfektes Vakuum? Antwort: NEIN, auch wenn man die Magdeburger Halbkugeln absolut leerpumpen könnte, wird es immer noch Strahlung der Wände geben. (auch beim absoluten Nullpunkt ( Nullpunktsfluktuationen ) Quantummechanisch kann diese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden (erlaubt durch Heisenbergsche Unsicherheitsrelation) 8

9 Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar? Vakuumfluktuationen machen sich bemerkbar durch: 1) Lamb shift 2) Casimir Effekt 3) Laufende Kopplungskonstanten 4) Abstoßende Gravitation Berechnung der Vakuumenergiedichte: GeV/cm 3 im Standardmodell GeV/cm 3 in Supersymmetrie Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm 3 Warum ist das Vakuum des Universums so leer? 9

10 Vakuumenergie abstoßende Gravitation Expansion mit Geschwindigkeit v=r =dr/dt M R m Vakuumenergie: = 0 Beschleunigung: R = 8 GR /3 Solution: R=R 0 e t/ mit = 3/8 G 1/H a (nach Newton) Betrachte Masse m in äußerer Schale mit Geschwindigkeit v. Sie spürt Gravitationspotential der inneren Masse M. Energie: E= ½mv 2 -GmM/R = ½mR 2-Gm(4 R 3 /3)/R Energieerhaltung: de/dt=0 oder R R R - 4 G/3(R 2 ) ) = 0 R R = 4 G/3(2RR +R 2 ) 10

11 Nobelpreis 2011 einfach erklärt Standard Kerzen: Laternen oder Supernovae 1a Aus dem Hubbleschen Expansionsgesetz kann man Abstände herleiten unter der Annahme, dass es nur Materie mit anziehender Gravitation gibt. Beobachtet wird jedoch, dass die weit entfernten Supernovae weiter weg sind als vom Hubbleschen Gesetz vorhergesagt. Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne. Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat beschleunigte Bewegung. 11

12 Sternentwicklung 12

13 Hubble Bild des Überrestes der Supernova 1987A Stern-Explosion vom 6. Februar, 1998 Die meiste Materie ist NICHT sichtbar mit optischen Teleskopen (wie Hubble) AMS kann jedoch die hochenergetische kosmische Strahlung solcher Explosionen sichtbar machen. Und nach dunkler Materie suchen, von der erwartet wird, dass bei der Vernichtung kosmische Strahlung in Form von Materie und Antimaterie entsteht. Beachte: im sichtbaren Univ Galaxien SN / Stunde! 13

14 Entdeckung der dunklen Materie Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt. Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope Dubinski Lösung: es muss zusätzliche dunkle Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!) Die DM muss schwache Wechselwirkung mit normaler Materie haben, sonst kein Halo! 14

15 Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie: sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw. Blau: dunkle Materie aus Gravitationspotential dunkel Beobachtungen: Rot: sichtbares Gas Chandra X-ray telescope zeigt Verteilung des Gases Hubble Space Telescope beobachtet Verteilung der dunkle Materie (via Gravitationslinsen) Verteilungen sehr unterschiedlich -> dunkle Materie hat nur schwache Wechselwirkung! 15

16 Simulation der Colliding Clusters August 22,

17 Seeking the lost seeds of the Big Bang Dark matter makes up 83% of the matter in the universe and hence dominates the gravitational forces forming Steinmetz 17

18 Zusammenfassung bisher Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! Dunkle Energie sind Quantenfluktuationen? Dunkle Materie sind WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) Supersymmetrische Partner der Photonen? LHC und Raumfahrtexp. AMS-02 werden dies zeigen? 18

19 Direkter Nachweis von WIMPs χ χ E R ~ E kin (1 - cos ) Neutralino kann wegen R-Paritätserhaltung NUR elastische Streuung an Kernen durchführen Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p größer als Kernradius, so es kann einzelne Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an den gesamten Kern abgegeben. Wirkungsquerschnitt A 2 (A= Anzahl der Nukleonen) Kern wird aus dem Gitter gestoßen Ionisation Erwärmung (Phononen) Kernanregung Szintillation 19

20 Experimente zur Suche nach DM CRESST ROSEBUD CUORICINO Phonons CDMS EDELWEISS CRESST II ROSEBUD HDMS GENIUS IGEX MAJORANA DRIFT (TPC) Ionization E R XENON ZEPLIN II,III,IV Scintillation DAMA ZEPLIN I UKDM NaI LIBRA 20

21 Weltweite WIMP Suchen 21

22 Thermische Geschichte der WIMPS Thermal equilibrium abundance Jungmann,Kamionkowski,, Griest, PR 1995 Comoving number density Actual abundance T=M/22 x=m/t T>>M: f + f-> M + M; M+M -> f + f T<M: M+M->f + f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate Expansions-rate, i.e. =< v>n (x fr ) H(x fr )!) WMAP -> h 2 = > < v>= cm 3 /s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 10 5 <ρ>. DMA ( ρ 2 ) fängt wieder an. Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> 0 s -> Gammas! Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt. 22

23 Vernichtung der dunklen Materie Antimaterie! DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein. Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet und die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie. Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung (am LEP Beschleuniger 23

24 DM Annihilation in Supersymmetrie ~ f f f A f f Z f f W 0 Z W Z 37 gammas WIMP Wunder: Neutralino Annihilations- Wirkungsquerschnitt stimmt gut mit WMAP Erwartung überein. 24

25 MATTER VACUUM CASE TRACKER PLANE 1NS RICH Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 ECAL LTOF ANTIMATTER TRACKER PLANE 1N TRD ACC MAGNET UTOF TRACKER PLANE 6 Weight 7000 kg Volume 64 cubic meters Power 2500 watts Data downlink 2 Mbps (average) Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field) Magnetic material Neodymium alloy (Nd 2 Fe 14 B), weighting 1200 kg Subsystems 15 particle detectors and supporting subsystems Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT Mission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth) Construction RWTH + KIT Transition Rad. Detector (Schael) (de Boer) Cost $2 billion (estimated) 25

26 Alpha Magnetic Spectrometer - AMS-01 Testflight, STS-91, 2 June 1998 (10 days) Teste ob fragile Si-Sensoren Erschütterungen eines Starts überleben und mit den Temperaturschwankungen und Kühlung im Weltall zurechtkommen 26

27 AMS ist ein Teilchenphysik-Detektor im Weltall Nobel Prizes, (1) Pulsar, (2) Microwave, (3) Binary Pulsars, (4) Solar neutrino X Ray sources 27

28 AMS in der Maxwell EMI Kammer am ESTEC (NL) Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium 28 Stuttgart 28

29 NASA Sh utt le Landing Facility Air Force C-5 Galaxy für den Transport von AMS-02 von Genf nach Cape Canaveral September

30 KIT verantwortlich für AMS nach dem Start Payload Commander Andreas Sabellek von KIT vor Endeavour nach dem letzten Check von AMS in Endeavour 30

31 Launch, um 8:56 (European time) 31

32 AMS-02 installiert auf der ISS Astronauten AMS-02 32

33 Astronautentag, in Karlsruhe 33

34 Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS 34

35 600 physicists, 60 institutes, 16 countries Spokesman Sam Ting Nobelprize 1976 started AMS in

36 Carbon Nucleus, 41.8 GeV 36

37 Endeavour Day 6: ISS tour 37

38 Endeavour Day 6 Endeavour Day 6: Message from Vatican 38

39 Zusammenfassung Dunkle Energie dominiert unser Universum abstoßende Gravitation! Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt. Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM. Satellitenexp. (AMS, Fermi, ) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der Antimaterie). Oder direkte DM Suchen? Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet wie so oft in der Physik! 39