Dunkle Materie und Teilchenphysik
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- Helga Lisa Buchholz
- vor 6 Jahren
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1 Universität Hamburg Weihnachtliche Festveranstaltung Department Physik 17. Dezember 2008
2 Woher weiß man, dass es Dunkle Materie gibt? Sichtbare Materie in Galaxien (Sterne, Gas) kann nicht die beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten erklären! Zusätzliche, unsichtbare ( dunkle ) Materie benötigt. Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) deutet auf die Existenz von Dunkler Materie (und Dunkler Energie) hin. Es gibt starke Hinweise für die Existenz Dunkler Materie!
3 Woher weiß man, dass es Dunkle Materie gibt? Sichtbare Materie in Galaxien (Sterne, Gas) kann nicht die beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten erklären! Zusätzliche, unsichtbare ( dunkle ) Materie benötigt. Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) deutet auf die Existenz von Dunkler Materie (und Dunkler Energie) hin. Es gibt starke Hinweise für die Existenz Dunkler Materie!
4 Woher weiß man, dass es Dunkle Materie gibt? Sichtbare Materie in Galaxien (Sterne, Gas) kann nicht die beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten erklären! Zusätzliche, unsichtbare ( dunkle ) Materie benötigt. Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) deutet auf die Existenz von Dunkler Materie (und Dunkler Energie) hin. Es gibt starke Hinweise für die Existenz Dunkler Materie!
5 Woher weiß man, dass es Dunkle Materie gibt? Sichtbare Materie in Galaxien (Sterne, Gas) kann nicht die beobachteten Rotationsgeschwindigkeiten erklären! Zusätzliche, unsichtbare ( dunkle ) Materie benötigt. Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB) deutet auf die Existenz von Dunkler Materie (und Dunkler Energie) hin. Es gibt starke Hinweise für die Existenz Dunkler Materie!
6 Elementarteilchen als Kandidaten für Dunkle Materie (super-) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Keine elektromagnetische Ladung (dunkel) Wechselwirkung durch Gravitation (+ schwache WW) Schwer ( kalte Dunkle Materie) Nicht-baryonisch (neue, unbekannte Materie) Stabil / Lebensdauer größer als Alter des Universums (10 17 s) Standardmodell Materie Kräfte e µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 u c t g d s b G + Supersymmetrische Partner S-Materie S-Kräfte ẽ µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 ũ c t g d s b G Supersymmetrie bietet Kandidaten für Dunkle Materie.
7 Elementarteilchen als Kandidaten für Dunkle Materie (super-) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Keine elektromagnetische Ladung (dunkel) Wechselwirkung durch Gravitation (+ schwache WW) Schwer ( kalte Dunkle Materie) Nicht-baryonisch (neue, unbekannte Materie) Stabil / Lebensdauer größer als Alter des Universums (10 17 s) Standardmodell Materie Kräfte e µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 u c t g d s b G + Supersymmetrische Partner S-Materie S-Kräfte ẽ µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 ũ c t g d s b G Supersymmetrie bietet Kandidaten für Dunkle Materie.
8 Elementarteilchen als Kandidaten für Dunkle Materie (super-) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Keine elektromagnetische Ladung (dunkel) Wechselwirkung durch Gravitation (+ schwache WW) Schwer ( kalte Dunkle Materie) Nicht-baryonisch (neue, unbekannte Materie) Stabil / Lebensdauer größer als Alter des Universums (10 17 s) Standardmodell Materie Kräfte e µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 u c t g d s b G + Supersymmetrische Partner S-Materie S-Kräfte ẽ µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 ũ c t g d s b G Supersymmetrie bietet Kandidaten für Dunkle Materie.
9 Elementarteilchen als Kandidaten für Dunkle Materie (super-) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Keine elektromagnetische Ladung (dunkel) Wechselwirkung durch Gravitation (+ schwache WW) Schwer ( kalte Dunkle Materie) Nicht-baryonisch (neue, unbekannte Materie) Stabil / Lebensdauer größer als Alter des Universums (10 17 s) Standardmodell Materie Kräfte e µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 u c t g d s b G + Supersymmetrische Partner S-Materie S-Kräfte ẽ µ τ γ ν e ν µ ν τ W ±, Z 0 ũ c t g d s b G Supersymmetrie bietet Kandidaten für Dunkle Materie.
10 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
11 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
12 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
13 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
14 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
15 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
16 Welcher Kandidat ist der Richtige? Suchen konzentrieren sich auf stabile Kandidaten. Unterschiedliche Signaturen in Beschleunigerexperimenten Direkten WIMP-Suchen (elastische Streuung an Kernen) Indirekten Suchen (Beitrag zu kosmischer Strahlung) Aber auch nicht-stabile, langlebige Gravitinos möglich. Nachweis über Zerfallsprodukte. Zerfälle in der Milchstraße liefern Beitrag zu kosmischer Strahlung: Photonen, Positronen, Neutrinos etc. Suche nach Signalen von Gravitinos in kosmischer Strahlung.
17 Signale von nicht-stabilen Gravitinos Thema dieser Diplomarbeit Berechnung der möglichen Zerfälle von Gravitinos. Bestimmung der Neutrinosignale. Kein Widerspruch zu Beobachtungen. Vielleicht in zukünftigen Experimenten beobachtbar. E 2 dj/de (GeV cm -2 s -1 sr -1 ) atmospheric ν e atmospheric ν µ atmospheric ν τ ν µ/τ signal ν e signal E 2 dj/de (GeV cm -2 s -1 sr -1 ) total ν τ ν τ signal atmospheric ν τ E (GeV) E (GeV) Weiterer Test für Dunkle Materie aus Gravitinos.
18 Signale von nicht-stabilen Gravitinos Thema dieser Diplomarbeit Berechnung der möglichen Zerfälle von Gravitinos. Bestimmung der Neutrinosignale. Kein Widerspruch zu Beobachtungen. Vielleicht in zukünftigen Experimenten beobachtbar. E 2 dj/de (GeV cm -2 s -1 sr -1 ) atmospheric ν e atmospheric ν µ atmospheric ν τ ν µ/τ signal ν e signal E 2 dj/de (GeV cm -2 s -1 sr -1 ) total ν τ ν τ signal atmospheric ν τ E (GeV) E (GeV) Weiterer Test für Dunkle Materie aus Gravitinos.
19 Zusammenfassung: Dunkle Materie Interessante Schnittstelle zwischen Kosmologie (Physik des Universums als Ganzem) Teilchenphysik (Kleinste Bausteine der Materie) Es gibt eine Reihe guter theoretischer Kandidaten. Aber: Bisher keine experimentellen Nachweise. In den kommenden Jahre viele neue Erkenntnisse durch Beschleunigerexperimente (LHC, ILC) Astrophysikalische Experimente (Kosmische Strahlung)...
20 Zusammenfassung: Dunkle Materie Interessante Schnittstelle zwischen Kosmologie (Physik des Universums als Ganzem) Teilchenphysik (Kleinste Bausteine der Materie) Es gibt eine Reihe guter theoretischer Kandidaten. Aber: Bisher keine experimentellen Nachweise. In den kommenden Jahre viele neue Erkenntnisse durch Beschleunigerexperimente (LHC, ILC) Astrophysikalische Experimente (Kosmische Strahlung)... Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
21 Zusatz: Photonen und Positronen Zusätzliche Photonen und Positronen aus Zerfällen von Gravitinos können experimentelle Ergebnisse erklären. EGRET HEAT 94/95/00 E 2 dj/de [(cm 2 str s) -1 GeV] 10-6 Positron fraction e + /(e + + e ) E [GeV] T [GeV]
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