Das Rätsel der Dunklen Materie Erhellendes aus Universum und Labor

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1 Das Rätsel der Dunklen Materie Erhellendes aus Universum und Labor Jun. Prof. Dr. A. Straessner TU Dresden Lange Nacht der Wissenschaften TU Dresden 18. Juni 2010 FSP 101 ATLAS

2 Einführung Was ist Dunkle Materie? Nachweis Dunkler Materie im Labor Suche nach Dunkler Materie am Large Hadron Collider (LHC) 2

3 3

4 Sterne und Galaxien = leuchtende, sichtbare Materie nicht nur sichtbares Licht, auch andere Strahlung (Radiowellen, Infrarot,...) 4

5 Dunkle Materie nicht durch Strahlungsemission nachweisbar 5

6 Aber warum sollte es Dunkle Materie geben? 6

7 Unsere Galaxie die Milchstrasse Spiralgalaxie Sonne 7

8 Unsere Galaxie die Milchstrasse Spiralgalaxie rotierende Sterne um das galaktische Zentrum Sonne 8

9 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten Bestimmung der Bewegungs- Geschwindigkeit anhand des Doppler- Effekts Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär 9

10 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al Scheibe rotierender fester Körper 10

11 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al Scheibe rotierender fester Körper rotierende Objekte um massives Zentrum 11

12 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al Scheibe rotierender fester Körper rotierende Objekte um massives Zentrum Halo aus Dunkler Materie 12

13 Fred Zwicky 1933 Beobachtung von Geschwindigkeiten im Sternenhaufen Coma Berenices Bestimmung der Masse aller Objekte im Coma Sternenhaufen aus Bewegungsenergie und Energie der Schwerkraft für sichtbare Sterne und Galaxien gilt: Masse ~ Leuchtkraft Zwicky findet eine Leuchtkraft, die 200-fach kleiner ist als erwartet! Dunkle Materie 13

14 Ein weiterer Hinweis: Gravitationslinsen Das Licht weit entfernter Galaxien wird im Gravitationsfeld naher Galaxien und Massenverteilungen abgelenkt wie von einer optischen Linse Mit dem Hubble Space Teleskop wurden solche Gravitationslinsen genau vermessen Ergebnis: die Masse, die zur Ablenkung nötig ist, ist größer als von den leuchtenden Objekten erwartet Dunkle Materie 14

15 Bullet Cluster kosmische Kollision dunkle Materie (Gravitationslinsen) leuchtende Materie (Gas) 15

16 Kosmische Hintergrundstrahlung Strahlung, welche vom "Urknall" bei der Expansion des Universum zurückgeblieben ist gemessen mit WMAP Teleskop Wilkinson Microwave Anisotropy Probe mittlere Strahlung entspricht einer Temperatur von 2,725 ± 0, 001 Kelvin aus Temperaturvariationen kann man die Zusammensetzung des Universums ableiten 16

17 Ergebnis der Analyse Atome Dunkle Materie Dunkle Energie 17

18 Entstehung kosmischer Strukturen Simulation großer kosmischer Strukturen benötigt Dunkle Materie als Baustein Dunkle Materie - Arno Straessner 18

19 Entstehung kosmischer Strukturen Simulation großer kosmischer Strukturen benötigt Dunkle Materie als Baustein Dunkle Materie - Arno Straessner 19

20 Suche nach Dunkler Materie im Labor Teilchendetektor aus Natrium-Iodid-Kristallen im Untergrundlabor Gran Sasso in Italien Erde kreist um Sonne und fliegt gleichzeitig durch Hintergrund aus Dunkler Materie Jahreszeitliche Variation der Wechselwirkungen mit dem Teilchendetektor: Ergebnisse noch nicht von anderen Experimenten bestätigt 20

21 Woraus könnte Dunkle Materie bestehen? MACHOs = Massive astrophysikalische kompakte Halo-Objekte z.b. Braune Zwerge nur ein kleiner Teil der dunklen Materie WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles Schwach wechselwirkende, massive Teilchen Beispiel: neue, schwere Elementarteilchen Supersymmetrische Teilchen = Kopie bekannter Elementarteilchen 21

22 Suche nach Dunkler Materie am LHC Kollision von Protonenstrahlen LHCb ATLAS sehr hohe Energie CMS ALICE fache Protonmasse kann in neue Elementarteilchen umgewandelt werden 4 große Teilchendetektoren 22

23 Bekannte Elementarteilchen schon gefunden 23

24 Neue Elementarteilchen werden gesucht Wie kann man Kandidaten für Dunkle Materie finden? Diese Teilchen wechselwirken quasi nicht mit dem Detektor - "Neutralino" "fehlende Energie" ist der Schlüssel X q Teilchen entkommt fehlende Energie p g p ql 0 2 R 0 1 q q 24

25 Teilchendetektor ATLAS Detektor deckt Raumwinkel so komplett wie möglich ab 25

26 Ein Beispiel-Ereignis Datennahme am LHC: , , Entdeckung supersymmetrischer Teilchen von 500-facher Protonmasse möglich schon im Jahr

27 Zusammenfassung Viele Hinweise auf Dunkle Materie in Kosmos und Weltall Genaue Eigenschaften noch unbekannt Suche nach Dunkler Materie auch in Laborexperimenten auf der Erde Entdeckung von Kandidaten für Dunkle Materie am LHC möglich schon in den nächsten Jahren mehr Informationen in der heutigen Ausstellung und Aktuelles unter: 27

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