Dunkle Materie, was ist das? We don t know it, because we don t see it!

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1 Dunkle Materie, was ist das? We don t know it, because we don t see it! WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov, EGRET excess of diffuse Galactic Gamma Rays as Tracer of DM, astro-ph/ , A&A, 444 (2005) 51 Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

2 Entdeckung der DM in 1933 Zwicky, Fritz ( Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope Dubinski Zwicky beobachtete in 1933 dass Galaxien im Coma Cluster sich mit Geschwindigkeiten oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit bewegten, wenn es nur sichtbare Materie gibt. Schlussfolgerung: ca. 90% der Masse besteht aus dunkler Materie! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

3 Entwicklung des Universums Early Universe The Cosmic screen Present Universe Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

4 Licht des frühen Universums sichtbar als kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

5 Warum akustische Wellen im frühen Universum? Definiere: δ=δρ/ρ Newton: F=ma δ``+ (Druck-Gravitation) δ=0 F=ma F G P Lösung: Druck gering: δ=ae bt, d.h. exponentielle Zunahme von δ (->Gravitationskollaps) Druck groß: δ=ae ibt, d.h. Oszillation von δ (akustische Welle) Rücktreibende Kraft: Gravitation Antreibende Kraft: Photonendruck Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

6 Gibt es dunkle Materie in der Milchstraße? Rotationskurve Solarsystem 1/ r Rotationskurve Milchstraße Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

7 DM Dichte in unserem Sonnensystem Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

8 Expansionsrate des Universums bestimmt WIMP Annihilationwirkungsquerschnitt! Dichte im thermischen Gleichgew. Heutige Dichte Comoving number density T=M/22 T>>M: f+f->m+m; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/22: M entkoppelt, Dichte konst. (wenn Annihilationsrate Expansionsrate, i.e. Γ=<σv>nχ(x fr ) H(x fr )!) WMAP -> Ωh 2 =0.113± > <σv>= cm 3 /s DM nimmt zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 10 5 <ρ>. DMA ( ρ 2 ) fängt wieder an Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> π 0 s -> Gammas! Gary Steigmann x=m/t Einzige Annahme: WIMP = THERMISCHES RELIKT! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

9 Wie annihilieren Teilchen? e+ e- LEP collider: e+e- Annihilation ~~ q q Photon Annihilation γ γ ~~ ~~ e e e Im Schwerpunktssystem: Monoenergetische Quarkpaare! Quarks fragmentieren in Jets mit vielen leichten Teilchen:π+,π-,π0 π0 zerfällt zu 100% in 2 Photonen Im Mittel: 37 Photonen pro Annihilation am LEP Spektraler Form der Gammastrahlung SEHR GUT VERMESSEN!!!! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

10 Beispiel der Neutralino-Annihilation (SUSY) χ χ ~ f f f χ χ A f f χ χ Z f f χ χ χ W χ ± χ 0 W χ Z Z 37 gammas Dominant χ + χ A b bbar quark pair Sum of diagrams should yield <σv>= cm 3 /s to get correct relic density Quark fragmentation known! Hence spectra of positrons, gammas and antiprotons known! Relative amount of γ,p,e+ known as well. Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

11 Zusammenfassung bis hier Wenn DM thermische Relikte aus dem frühen Universum sind, dann könnte Annihilationswirkungsquerschnitt <σv>= cm 3 /s sein. Dies bedeutet eine gewaltige Rate an Gammastrahlen aus π 0 Zerfällen (Galaxie hat höhere Rate als eine B-Fabrik, die 10 9 B-Quarkpaare in 5 Jahren erzeugten. Das macht die Milchstraße in s!) Erwarte erheblichen Anteil der Gammastrahlung aus DMA. Untergrund aus: p CR +p GAS -> π 0 +X, π 0 ->2γ (+some IC+brems) D.h.: Galactische Gammastrahlung hat 2 Komponenten mit einer bekannten Form aus den 2 am BESTEN studierten Prozessen mit Beschleunigern: Untergrund bekannt aus fixed target Experimenten DMA bekannt aus e+e- Annihilation (LEP) Data driven und modellunabh. Analyse möglich durch ein Fit von Signal- und Untergrundform in jede Himmelsrichtung -> DM Verteilung unabhängig vom Haloprofil oder Untergrundverteilung Auch unabhängig von Normierungsfehlern der Experimente. Für das Haloprofil brauche ich nur relative Flüße in allen Richtungen. Absolute Normierung z.b. durch Rotationsgeschwindigkeit der Sonne. Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

12 Bisherige Strategien Teilchenphysiker: eliminiere Modellabhängigkeit durch eine DATA DRIVEN Kalibration Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

13 Grundprinzip für indirekte Suchen nach DM Aus Rotationskurve: Kräfte: mv 2 /r=gmm/r 2 oder M/r=konst.für v=kons. und ρ (M/r)/r 2 ρ 1/r 2 für flache Rotationskurve Sun Sun R 1 R bulge disc disc Erwarte höchste DM Dichte IM ZENTRUM DER GALAXIE WENN FLUSS UND FORM IN EINER RICHTUNG GEMESSEN, DANN FLUSS UND FORM BESTIMMT IN ALLEN HIMMELS- RICHTUNGEN!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! DIES IST EINE UNGLAUBLICHE RANDBEDINGUNG FÜR INDIREKTE SUCHEN Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

14 EGRET auf CGRO (Compton Gamma Ray Observ.) Daten öffentlich zugänglich im NASA Archiv EGRET excess in Galactic disc Hunter et al Parameter: Energie: GeV Auflösung: ~20% Effektive Fläche: 1500 cm 2 Winkelauflösung.: <0.5 0 Datennahme: Wichtigste Resultate: Katalog von Punktquellen Überschuss in diffusen Gammas De Boer et al.: reanalyze EGRET public data in ALL sky directions and check consistency with DM Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

15 Untergrund + Signal beschreiben EGRET Daten! Background + DMA signal describe EGRET data! 50 GeV π 0 IC WIMPS Brems. π 0 IC WIMPS Brems. IC 70 Blue: background uncertainty Blue: WIMP mass uncertainty Fitted spektrale Formen (aus Beschleunigerexperimenten) mit freier Normierung für Signal und Untergrund. W. de Boer et al., A&A (2005) Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

16 Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen A: inner Galaxy B: outer disc C: outer Galaxy Total χ 2 for all regions :28/36 Prob.= 0.8 Excess above background >> 10σ. D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles A: inner Galaxy (l=±30 0, b <5 0 ) B: Galactic plane avoiding A C: Outer Galaxy D: low latitude ( ) E: intermediate lat. ( ) F: Galactic poles ( ) Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

17 Fits für 180 statt 6 Regionen 180 regions: 8 0 in longitude 45 bins 4 bins in latitude 4x45=180 bins -> >1400 data pts Jede Ri. hat unterschiedliche Gasdichte und DM Dichte. Daher unterschiedliches Spektrum in jeder Richtung. Chi2/d.o.f. gemittelt über alle Ri. =1, d.h. Bedingungen bezüglich Form und Intensität erfüllt!!!!! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

18 Halo auf Skale von 300 kpc (Aus Normierungen in 180 Himmelsrichtungen) Sideview Topview Cored isothermal profile with scale 4 kpc Total mass: O(10 12 ) solar masses Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

19 Halo auf Skale von 30 kpc Sideview Topview Enhancement of inner (outer) ring over 1/r 2 profile 6 (8). Mass in rings 0.3 (3)% of total DM Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

20 The Milky Way and its 13 satellite galaxies Canis Major Tidal force F G 1/r 3 Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

21 Tidal streams of dark matter from CM and Sgt CM Sun Sgt From David Law, Caltech Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

22 N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy Observed stars R=13 kpc,φ=-20 0,ε=0.8 Canis Major (b=-15 0 ) prograde retrograde Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

23 Gas Flaring der Milchstrasse P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, arxiv.org/abs/ , A&A 2007 no ring with ring Gas Flaring braucht EGRET Ring mit Masse von M! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

24 EGRET Überschuss erklärt Rotationskurve! Rotation Curve Änderung der Steigung durch massiver Ring dunkler Materie!. disk bulge Tatsache, dass EGRET Überschuss die Rotationskurve beschreibt, zeigt direkte Verknüpfung zwischen EGRET und dunkler Materie Inner Ring Outer Ring Normalisiere auf Geschw. der Sonne Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

25 Dark Connection zwischen Canis Major, Monoceros Stream, Gas Flaring, Rotationskurve und EGRET Überschuss EGRET Überschuss -> WIMP Masse WIMP Halo (= Standard-Halo + DM Ringe) WdB, C.Sander, V.Zhukov, D.Kazakov, A.Gladyshev A&A, 444 (2005) 51 Bestätigung: Rotationskurve Canis Major/Monoceros Stream Gas Flaring Einwände: EGRET Kalibration? Antiprotonen Fluss zu hoch? Extragalak. Gammas inkonsistent? Physics = correlations Richard Feynman Astronomie Astrophysik Kosmologie Teilchenphysik Rotationskurve Zwerggalaxien Gas Flaring KosmischeStrahlung Gammastrahlung 23%DM, Annihilationswirkungsq. Gezeitenströme Gamma-Spektren für Unterg.+Sign. Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

26 NATURE 452, 17. April 2008, Blown away by cosmic rays, D.Breitschwerdt Kosmische Strahlen aus Supernovae formen ein Plasma -> Druck, wodurch alle Teilchen ins Weltall geschleudert werden. Der Druck verhindert, dass Teilchen zurück zur Scheibe kommen-> wenig geladene Teilchen aus DMA in der Scheibe beobachtbar. NGC 253 Fit to ROSAT data, Everett et al. arxiv: v1 Konvektion in Galaxien zwischen 100 and 3000 km/s beobachtet Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

27 Propagationsmodelle mit Konvektion Mit Konvektion Ohne Konvektion (Bergstrom, Edsjo, Gustafsson and Salati, JCAP, astro-ph/ ) Zusammenfassung: Konvektion erzeugt Propagation senkrecht zur Scheibe. Dies reduziert Beitrag geladener Teilchen aus dem Halo um eine Größenordnung. Auch konsistent mit B/C und 10 Be/ 9 Be Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

28 Observation of an anomalous positron abundance in the cosmic radiation, apamela, arxiv: Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

29 Viel Spekulation über Anstieg der Positronen Aber Propagationsmodelle nehmen gleiche Spektren für alle primären Teilchen an. FALSCH! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

30 AMS-01 p/e Verhältnis nimmt zu Annahme in Modellen: alle primäre Teilchen haben gleiches Spektrum Dies stimmt nicht, siehe AMS-01 Daten (Shuttle Flug 1998) Positronen stammen aus π + Produktion von Protonen Elektronen hauptsächlich aus Supernovae. Da p/e Verhältnis ansteigt, MUSS das e+/e- Verhältnis ansteigen!!! Anstieg also nicht durch Überproduktion von Positronen, sondern durch Defizit von hochenergetischen Elektronen!! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

31 Propagationsmodell kompatibel mit EGRET, ROSAT, INTEGRAL, WMAP, AMS 1 WdB,arXiv: Positron Fraction e + /(e + +e - ) averaged data Anisotropes Propagationsmodell kompatibel mit EGRET, ROSAT, INTEGRAL, AMS, WMAP zeigt Zunahme in e+/e- Verhältnis ep/e+ep 10-2 total DM Erwarte keinen DMA Betrag in Positronen, weil Untergrund aus Pionproduktion so groß ist Energy [GeV] DMA NICHT in Positronen. sondern in Pamelas Antiprotonen!!! Data from Chung et al, arxiv: v1 Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

32 Was ist mit Supersymmetrie? Nehme an: msugra 5 parameters: m 0, m 1/2, tanb, A, sign μ Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

33 Teilchenspektrum der SUPERSYMMETRIE Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Matter particles) (exchange particles) = WIMP SUSY Massen: GeV! Leichteste Supersymmetrische Teilchen stabil, schwer und schwach wechselw. Exzellenter Kandidat für DM LSP meistens photinolike in MSSM DM ist SUSY-Partner der CMB Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

34 SUSY Shadow World One half is observed! One half is NOT observed! Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

35 Erwartete SUSY Massen in msugra msugra: common masses m 0 and m 1/2 for spin 0 and spin ½ particles Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

36 Vereinheitlichung der Kräfte perfekt mit SUSY Massen von EGRET SM SUSY Update von Amaldi, db, Fürstenau, PLB NO FREE PARAMETERS WdB, C. Sander,PLB585(2004). e-print: hep-ph/ Auch b->sγ und g-2 stimmen mit dem SUSY Spektrum von EGRET überein (innerhalb von 2σ) Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,

37 Dunkle Materie, was ist das? EGRET Überschuß zeigt alle Eigenschaften der Annihilation der DM, d.h. die Form entspricht mono-energetischen Quarks und Verteilung entspricht Gravitationspotential der Galaxie. Auch konsistent mit der SUPERSYMMETRIE. In diesem Fall: LHC Experimente werden Wahrheit ans Licht bringen Erwarte: Squarks & Sleptonen schwer (>1 TeV) Gauginos leicht (50-500GeV) Wim de Boer, Karlsruhe Kolloquium Wuppertal,