WIMP-Teilchen. Suche mit astrophysikalischen- und Labor - Experimenten. Paulus Frischholz

Transkript

1 WIMP-Teilchen Suche mit astrophysikalischen- und Labor - Experimenten Paulus Frischholz

2 Missing Pieces

3 Gliederung Einleitung Woher kommen die WIMPs? Wo sind die WIMPs heute? Wie kann man WIMPs nachweisen? Indirekte Experimente Direkte Experimente Zukünftige Experimente Fazit

4 Einleitung WIMP = weakly interacting massive particle Schwächling Schwach wechselwirkende, massive Teilchen

5 Woher kommen die WIMPs? In der Frühphase des Universums bei sehr hohen Temperaturen e + + e. χ + χ Universum expandiert WIMPs entkoppeln bei der Temperatur T 2 m χ WIMPs kühlen weiter ab T heute χ heute ν 0 K T 1,9 K CDM HDM

6 Wo sind die WIMPs heute? Sammeln sich in den Gravitationspotentialen der normalen Materie a Sonne: Die WIMPs im Zentrum der Sonne können sich gegenseitig vernichten χ χ ν + ν, q + q, l l,k Galaxienhalo: Vernichtung wie in der Sonne χ + χ q + q π + K 2γ +K 0 oder χ + χ q + q p +K

7 Sonnensystem bewegt sich mit 230 km/s um das Milchstraßenzentrum WIMP Wind Erde bewegt sich mit 30 km/s um die Sonne Jährliche Modulation der Stossrate

8 Wie kann man WIMPs nachweisen? Indirekte Experimente Nachweis der Reaktionsprodukte von Wechselwirkung mit normaler Materie außerhalb des Labors νµ + n µ + p

9 AMANDA Antarctic Muon and Neutrino Array tandort: U.S. South Pole Station Groß Dunkel Wenig nat. Radioaktivität Abschirmung von kosmischer Strahlung achteil: Abgeschiedenheit Klima orteil: Feste Oberfläche

10 00 Optische Module (OM) ehr als 1500 m tief ufwärtsfliegende Myonen rzeugen Cerenkovlichtkegel icht wird von Photomultiliern detektiert

11 ANTARES Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch tandort: französische Mittelmeerküste ei Toulon 080 Optische Module 500 m tief am Meeresboden verankert achteil: Biolumineszenz Biofilm auf den OM-Oberflächen

12 lle drei Experimente haben noch kein ignal beobachtet! H.E.S.S. High Energy Steroscopic System tandort: Khomas Highlands in Namibia eist Cerenkovlicht in der Atmosphäre nach IMP Annihilation im Galaxienhalo erzeugen γ-strahlung => Teilchenschauer in der Atmosphäre => Cerenkovlicht eitrag zum γ Hintergrund

13 Direkte Experimente (Laborexperimente) WIMP stößt elastisch mit einem Atomkern mwimp m Kern Maximaler Energieübertrag ~ kinetische Energie der WIMPs E = kin 1 2 mc 2 ( v c )2 GeV ' s ( 300 ) 2 kev' s WIMP Kristall Energie- deposition Szintillation Ionisation Kryogenisch

14 Experimente und die angewandten Methoden Experimentelle Vorraussetzungen geringe Energieschwelle große Detektormasse kleines Hintergrundrauschen

15 DAMA Dark Matter Standort: Tunnel im Gran Sasso Massiv, Italien 1500 m Fels Szintillationsdetektor aus 100 kg hochreinen NaI(Tl) Meßdauer: 580 Tage Merkmale des Signals 1. Jährliche Modulation 2. Periode: 1 Jahr 3. Verlauf: Cosinusförmig 4. Nulldurchgang: ~2. Juni 5. Definierte Energieregion 6. Beschränkte Amplitude

16 Ergebnis ählrate ntergrund abgezogen m WIMP Ausschlußplot = GeV c ( ± ) 8 2 muß bestätigt werden!

17 NATURE Vol Juni 2002

18 EDELWEISS Standort: Frejus Lab, franz., ital. Alpen Ionisations- und Phonondetektor 3x320 g Germanium Halbleiterdetektoren Kryostat: T~20 mk ± 10 µk Abschirmung: 30 cm Paraffin, 20 cm Blei 10 cm Kupfer NTD-Sensor mißt Temperaturerhöhung Meßdauer: 48 Tage

19 Kalibration mit: Kobalt-Quelle: γ-strahlen Californium-Quelle: Neutrone Ergebnis: Ein Rückstoß bei 119 kev --> WIMP Masse > 10 TeV/c² DAMA- Resultat sagt 9,8 Ereignisse im Intervall kev voraus!

20 Ausschlußplot DAMA Region fast ganz ausgeschlossen Neue Messungen nötig

21 Zukünftige Experimente LIBRA: Weiterentwicklung von DAMA kg NaI(Tl) EDELWEISS II

22 CRESST II : kryogener Szintillationsdetektor aus 33x300 g schweren Calcium-Wolframat- Kristallen CaWO 4 Um DAMA zu überprüfen, ist eine Meßzeit von ca. 1 Monat nötig.

23 Fazit kein Signal durch indirekte Experimente nachgewiesen DAMA Ergebnis nicht sicher EDELWEISS hat kein signifikantes Signal beobachtet zukünftige Experimente werden mögliche WIMPs mit Massen von einigen GeV s und WIMP-Nukleon Wirkungsquerschnitte > 10 8 picobarn nachweisen können