Die Dunkle Seite des Universums

Transkript

1 Die Dunkle Seite des Universums Marc Schumann AEC, Universität Bern Physik am Freitag, Bern, 16. Januar

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 pro Sekunde treffen etwa 100'000 Teilchen der Dunklen Materie auf eine Fläche von 1 cm²

4 & Click 4

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

6 Normale Materie 1 m = 100 m 10 cm = 10 1 m 1 mm = 10 3 m 10 µm = 10 5 m 10 nm = 10 8 m

7 Chemie

8 Normale Materie 1 m = 100 m 10 cm = 10 1 m 1 mm = 10 3 m Elektronenhülle Atomkern 10 µm = 10 5 m 10 nm = 10 8 m 1 nm = 10 9 m 0.1 nm = m

9 Kernphysik und Radioaktivität Die Nuklidkarte Anzahl Protonen γ Blei γ Wasserstoff Eisen γ Anzahl Neutronen

10 Teilchenphysik

11 Teilchenphysik am CERN

12 H µµµµ

13 Astroteilchenphysik WIMP

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

15 15

16 Galaktische Rotationskurven Erwartung: Kepler Rotation (wie Sonnensystem) Disk Bulge 16

17 Doppler Effekt 17

18 Doppler Effekt Bewegung auf uns zu: Wellenlänge wird kürzer Blauverschiebung Ton höher Bewegung von uns weg: Wellenlänge wird länger Rotverschiebung Ton tiefer 18

19 Galaktische Rotationskurven Erwartung: Kepler Rotation (wie Sonnensystem) Disk Bulge 19

20 Galaktische Rotationskurven Messung: flaches Rotatonsprofil M33 Halo aus dunkler Materie (isothermal sphere, ρ ~ 1/r2 ) Disk Bulge 20

21 Nicht alles was nicht leuchtet... 21

22 ist auch dunkel 22

23 Beobachtete Eigenschaften von Dunkler Materie: unsichtbar kalt (= langsam ) kaum Kollisionen stabil Kein bekanntes Teilchen hat diese Eigenschaften wir brauchen etwas Neues...

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

25 Dunkle Energie? 25

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

27 Die Suche Direct Detection Indirect Detection 27

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

29

30 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 30

31 Image C. Levy (U Münster) M. from Schumann (AEC Bern) Das dunkle Universum 31

32 Dual Phase TPC TPC = time projection chamber = Zeit-Projektionskammer pos HV E~10 kv/cm S2 (Ladung) S1 (Licht) Flüssiges Xenon E neg HV Amplitude Xenon Gas S1 S2 S1 S2 Time E~1 kv/cm 32

33 Dual Phase TPC Unterscheidung Signal/Hintergrund Astropart. Phys. 35, 573 (2012) ER Hintergrund Signal NR (2011) (2011) PRL 107, PRL , Unterscheidungs-Parameter Wo hat das Ereignis stattgefunden? Energie [kevnr] Stoss an Elektron (Hintergrund) 151 µs Stoss an Atomkern (Signal) 33

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 Abschirmung α-strahlen α-strahlen Neutronen β-strahlen γ-strahlen Blei Polyethylen 5 cm Blei Alternative: mehrere Meter Wasser 35

36 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 36

37 MyonUniversum M. Schumann (AEC Bern) Das dunkle Neutrino 37

38

39

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

41 Scheizer Untergrundlabore Teilchenphysik möglich in: Tieflabor Bern (70 mwe) Vue des Alpes Tunnel (600 mwe) Gotthard Tunnel (3000 mwe) 41

42 Alle Welt sucht nach Dunkler Materie 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 Kamioka XMASS NEWAGE Oto PICOLON JINPING Panda-X CDEX South Pole DM-Ice 42

43 XENON100

44 XENON100

45 Physiker bei der Arbeit... 45

46 XENON100 Resultat bislang kein Zeichen von Dunkler Materie gefunden! sieht mehr wie radioaktiver Hintergrund aus sieht mehr wie ein Signal aus Unterscheidungs-Parameter Signalgrösse [Photonen] Energie [kevnr] (1.0 ± 0.2) Ereignisse erwartet 46

47 Wie sähe ein Signal aus? radioaktiver Untergrund nach 34 kg 225 Tagen Messung leichte Dunkle Materie schwere Dunkle Materie 47

48 Nichts gefunden und doch glücklich??? 48

49 Streu-Wahrscheinlichkeit [cm²] Der aktuelle Stand der Dinge Masse Dunkle Materie Teilchen [mproton] 49

50 Streu-Wahrscheinlichkeit [cm²] Der aktuelle Stand der Dinge Masse Dunkle Materie Teilchen [mproton] 50

51 LNGS 51

52 52

53 XENON1T 3.3 t flüssiges Xenon, 2.0 t davon aktiv 248 hochsensitive Photosensoren 100x sensitiver als vorheriges Experiment 1m 1m 130 Wissenschaftler aus 18 Ländern Start ist für Mitte/Ende 2015 geplant Die Berner Gruppe ist verantwortlich für: Design des Detektors (TPC) Daten-Auslese System 53

54 Take Home Messages 95% des Universums ist dunkel. 27% davon ist Dunkle Materie. Das wissen wir durch astronomische Messungen Wir wissen nicht, was Dunkle Materie ist. Viele Wissenschaftler suchen nach Dunkler Materie. Die Uni Bern ist ganz vorne mit dabei. Bislang haben wir noch nichts gefunden...

55 Warum???