Seminar SS 2005: Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik 01 Die Suche nach dunkler Materie???? Sprecher: Jens Frangenheim Betreuerin: Dr. K. Klein Titelseite
02 Prolog Dunkle Materie c el k n si t ch r a b ht i n du Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994) kein (Ste e nor rne, mal Plan e M eten ater, St ie ude nten ) Prolog
03 Prolog Dunkle Materie c el k n si t ch r a b ht i n du Deutsch-Spanische Sternwarte auf dem Calar Alto (Almeria, 1994) Prolog kein (Ste e nor ) rne, mal r o t k Plan e M te e D eten ater ai(tl), St kgien 0u0dent 1 ( A en) M A D
04 Inhalt Evidenzen für dunkle Materie (DM): Warum? Woher? Welche Form? Kandidaten für dunkle Materie Experimente zur Suche nach DM - WIMP's (direkt/indirekt) - Axionen Zusammenfassung und Ausblick Schlussbemerkung Inhalt
05 Evidenzen für DM Rotationskurven von Sternen in Galaxien Astronomie Galaxienbewegungen, Gravitationslinsen Kosmologie (kosmische Hintergrundstrahlung, Strukturbildung, Elementenhäufigkeit) (WMAP) Evidenzen
Rotationskurven von Sternen von Sternen 06 Die Milchstraße Bei Milchstraße (und anderen Spiralgalaxien) leuchtende Materie auf einer Scheibe konzentriert 1 Nach Newton (Kepler) r -Abfall für Umlaufgeschwindigkeit erwartet 1pc=3,26 Lichtjahre (ly)= 3,09.1016m m Stern v 2Rot M Galaxie m Stern M Galaxie F Z =F G = v= R R R2 Beobachtet wird für einzelne Sterne am Rand der Scheibe eine konstante Umlaufgeschwindigkeit Evidenzen: Astronomie
07 Halo aus dunkler Materie 2 Annahme von zusätzlicher Materie mit ~1/ r erklärt dies Halomodell sichtbar, dunkel = c0 a 2 r 2 MS c 0=1,6 10 kpc a=2,8 kpc 9 1 kpc=3,26 ly Quelle für Parameter: Vorlesung Professor Berger Evidenzen: Astronomie
Bei unserem Nachbarn sieht dies ähnlich aus... 08 Unsöld: Der neue Kosmos Außerhalb von 30 kpc findet man kaum noch Sterne Evidenzen: Astronomie
09 Für andere Galaxien findet man ähnliche Rotationskurven Dies alles ist schon lange bekannt. Doch es wurde DM in Form von Nebeln, Braunen Zwergen,... vermutet... Evidenzen: Astronomie
010 MAssiv Compact Halo Objekts Anzahl der gefundenen Objekte reicht nicht aus, um die Rotationskurven zu erklären Kosmologie Suche zwecklos doch vorher weitere astronomische Beobachtungen Evidenzen: Astronomie
Bei M 0,3, einer Galaxiendichte von 5 10 /Mpc und einer angenommenen Dichteverteilung der DM von ~1/r2 muss sich das DMHalo einer Galaxie bis 700 kpc weit erstrecken. -3 3 11 ganze Galaxienhaufen müssen in DM eingebettet sein Gravitationslinseneffekte an Galaxienhaufen und Messungen der kin. Energie von Nebeln sind mit M 0,3 verträglich M =???? M =??? Kosmologie Evidenzen: Astronomie
12 Einschub: Kosmologie Grundlage zur Beschreibung des Universums: Friedmann-Gleichungen 2 k c2 R = 2 R 3 3 R 3p R = 2 R 6 3 c 2 k =0,±1: Krümmung R : Abstandsskala =8 G :Gravitation c : Energiedichte : Kosmologische Konstante, p= Druck (Folgen aus der ART bei Annahme eines auf großen Skalen homogenen Universum) 3 H 02 Mit V = /, T = M R V, pc = =9,74 10 27 kg / m3=5 GeV / m3=5 P / m3, M R V K =1, H 0 =Hubbelkonstante=72 km/ s / Mpc folgt : Beschreibung der Dynamik des Universums: 2 R =H 02 M Ro Evidenzen: Kosmologie 2 2 R0 R0 R R V K R R R0
13 Heutiges Wissen Supernovae-Untersuchungen: 0, Universum expandiert beschleunigt Größe des Universums WMAP: k = K =0, Universum flach Evidenzen: Kosmologie q0= M V 2 Alter des Universums
Quelle: http://map.gsfc.nasa.gov 14 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) Untersuchung der Anisothropien Beste Quelle für kosmologische Daten Läuft seit 2002 Frequenzbereich 22-90 GHz (Misst bei 5 verschiedenen Frequenzen, um Störungen heraus rechnen zu können) Durchmesser Schüssel 1,5m Auflösung: 0,2 Gekühlte Elektronik: 4µK-Sensibilität (Rauschen) Evidenzen: WMAP 1,5 m 1,5 Mio. km
Position und Messtechnik 15 Positionierung im Lagrange-Punkt L2 Äquipotenzialfläche = stabile Bahn Strahlung der Sonne wird minimiert kein Erdmagnetfeld Messung von absoluten Temperaturen wegen Störungen schwierig Messung der Himmelstemperatur im Abstand θ mit 2 Antennen Störungen fallen heraus, bzw.... Evidenzen: WMAP
16 Auswertung Bewegung des Sonnensystems relativ zum Galaxiezentrum und Galaxienhaufen Entwicklung der Temperaturabweichung T zum Mittelwert T0 nach Kugelflächenfunktionen Koeffizienten der Entwicklung: c l = 1 al, m 2 2 l 1 m Die Entwicklung ergibt: Michstraßenhintergrund K cos = 1 2 l 1 c l P l cos 4 l Maß für Leistungsspektrum Frequenzen zusammenfassen Maß für die T-Schwankungen Evidenzen: WMAP
Resultate 17 Maß für B Maß für Krümmung i =1,02±0,02, V =0,72 M =0,27±0,04 Bary =0,044±0,004, Evidenzen: WMAP CDM Modell, lum=0,01 Kosmologische Konstante und kalte?? DM
CMB-Anisothropien nach WMAP 18 kalte?? DM Evidenzen: WMAP
CMB-Anisothropien nach10wmap Aachen vor (13,7 ± 0,2 0,0004) a. heutige Strukturen??? Evidenzen: WMAP 19 9 kalte?? DM
Strukturbildung 20 CMB zeigt Universum bei der Entkopplung von Materie (baryonisch!!!) und Strahlung Anomalien der CMB reichen nicht zur Strukturbildung, d.h. zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien) auf Grund der Gravitation Keime aus DM nötig DM wechselwirkt nicht mit Photonen Kann schon vorher entkoppeln und klumpen Evidenzen
Elementenhäufigkeit 21 Verhältnis Deuterium/Helium (Li,...) hängt von der Baryonendichte im frühen Universum ab (bei höherer Dichte verschmelzen mehr Deuteriumkerne) Universum: ~75% 1H, ~ 25% 4He, <1% 2D, schwerere Elemente nur in Spuren auch hier wieder Evidenzen DM ist nicht baryonisch
Zusammenfassung: Evidenzen Ca. 30 % des Universums bestehen aus Materie Davon sind nur 4 % von bekannter Form (baryonisch) 22 Ohne DM wäre die Dynamik des Universums anders und Strukturen hätten sich so nicht gebildet 70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie. (Von DM wissen wir nicht, was das ist. Von Dunkler Energie wissen wir noch weniger, was das ist.) CDM Modell Evidenzen
23 Kandidaten für DM Vortrag: Suche nach Supersymmetrie Leichtestes supersymmetrisches Teilchen: Neutralino, nicht relativitisch (cold dark matter) WIMP's (Weakly interacting massive particel) - stabil (falls R-Parität erhalten) 0 - im SUGRA-Modell:leichtestes Teilchen: Neutralino 1 - Linearkombination aus, Z 0, H 10, H 02 - m> 50,3 GeV (LEP) (im Folgendem nur Spin-unabhängige WW angenommen) Axionen: Sehr leichte (<1 ev) Teilchen, in der Theorie zur Lösung des starken CP-Problems gefordert Vortrag: Einführung in das Standard Modell Schweres Neutrino (>45 GeV = m(z)/2) der vierten Familie (nicht durch LEP ausgeschlossen) Unbekannte Teilchen (auch theoretisch) Kandidaten
24 Keine Kandidaten für DM Vorträge: -Solare Neutrinos und Neutrinos aus Kernreaktoren -Atmosphärische Neutrinos und Neutrinos von Beschleunigern ( Normale ) Neutrinos m =16 ev - Notwendige Masse, um DM zu erklären: m 3 ev - Direkte Massenbestimmung (β-zerfall): 2 3 2 m 10 ev m m - Neutrinooszillation: - Neutrinos sind leicht, bewegen sich mit c treiben Materie auseinander - Dunkle Materie aus relativistischen Neutrinos: Simulationrechnung mit WMAP-Daten: Heutige Strukturen (Galaxien) hätten sich nicht gebildet i e Ωmatter ~ 0.30 Ων < 0.02 Schwarze Löcher aus abgebrannten Sternen MACHOS: Baryonisch Kandidaten e baryonische Materie
25...keine DM nötig falls: mi d 2 ri dt 2 R = G N mi m j r i r j j=1, j i r i r j 3 8 G R g = 4 T 2 c (Newton) (Einstein (Riemann, Mach))??????????????????????????? Kandidaten Erde Wasser Feuer Luft??? Gravitation Elektromagnetische WW Starke WW Schwache WW????????? - Gravitationsgesetz ist falsch (Auf großen Distanzen) Vortrag: Extra-Dimensionen und Mini-Blackholes - Mini-Blackholes? (eigentlich auch Materie, würden auch Schwarze Löcher in Galaxie-Zentren erklären) - Quintessenz (eigentlich nur Dunkle Energie, wenn sie Abstoßung bewirkt) Sixtessenz
Experimente zur Suche nach DM 26 Motivation: Standardmodell kann dunkle Materie nicht erklären Suche nach SUSY abseits von Beschleunigern (WIMP's) Suche nach neuer Physik (neue, nicht in Theorien vorkommende Teilchen) Experimente
Experimente zur Suche nach DM Indirekte Suche: AMS-Experiment (WIMP's) av Gr Direkte Suche - DAMA (NaI(Tl), Szintillationslicht) - CRESST (Phononen, Szintillationslicht) - Edelweiß (Phononen, Ladung) χ L. Baudis: Experimental searches of dark matter 27 n t io ita (u.a. I + III. Physikalisches Institut, RWTH Aachen) Detektor Erde Experimente e+ e- Majorana-Teilchen
28 Annahmen.... DM............ verde=30 km/h Erde vsonne=232 km/s =60 1 E kin = m v 2 2 v max =247 km/ s, m 60 1000 GeV /c 2 E kin 20 340 kev Sonne Gilt für alle Experimente Galaxiezentrum v t =v Sonne v Erde cos cos t t 0 dr S k [ t ]= E de S S cos t t de k E R R S: Rate R: Wirkungsquerschnitt Experimente 0, k m,k =2 / a t 0 =2. Juni maximale Rate 0 Anomale Modulation, die während eines Jahres auftreten sollte
Untergrund und Abschirmung 29 Kosmische Myonen ~ km Umgebungsstrahlung (Uran, Thorium, Radon,...) ~ 0,01Bq/kg: ~ 105 Ereign. /kg /Woche Abschirmung 210 Pb Detektor > 1Hz/kg ~ 106 Ereign. /kg /Woche maximal erwartete Signal-Ereignisse: 1 /kg /Woche Experimente: DAMA
Suche nach WIMP's 30 Aachen : AMS (u.a.) (indirekt) EDELWEISS Experimente DAMA CRESST
Quelle: Further results on the WIMP annual modulation signature by DAMA/NaI (21. July 2003) DAMA 31 particle DArk MAtter searches with highly radiopure scintillators at Gran Sasso hat angeblich anormale Modulation gefunden Technische Daten: 100 kg NaI(Tl)-Detektormasse ( 9 Kristalle) Abschirmung aus strahlenarmem Material Lief von 1997 Juli 2002 (neue Elektronik im August 2000) 107731 kg d (7 Jahreszyklen) Experimente: DAMA
Sucht nach anomaler jährlicher Rate 32 Arbeitsweise DAMA (NaI) Weist Szintillationslicht nach Keine (wenig) aktive Untergrundreduzierung Gran Sasso Labor Experimente: DAMA
Aufbau 33 NaI NaI PMT PMT NaI NaI NaI-Kristalle, die an beiden Enden von Photomultipliern ausgelesen werden Experimente: DAMA
34 Abschirmung (shielding) 1,5 km Gestein, entspr. 5000m water equivalent (mwe) µ-fluss um 2.10-5 reduziert Abschirmung aus altem Blei (10cm) und Kupfer (15 cm) Innerste Schicht: 1,5 mm Cd und Paraffin + Polyethylen (Neutronen) Ganze Anlage von 1 m Beton umgeben Reinraumatmosphäre Stickstofffüllung (Luft -> Radon -> Strahlung) Experimente: DAMA Altes Blei aus versunkenen, römischen Schiffen
DAMA: Ergebnisse 6,3 35 Evidenz für jährliche Modulation - Effekt kann durch keine anderen äußeren Einwirkungen (z.b. Temperatur) erklärt werden - Andere Experimente können dies aber nicht bestätigen... Experimente: DAMA
Effekte, die eine anormale Modulation verursachen könnten 36 Temperaturänderungen Bergwerk Detektor im Wärmekontakt mit Abschirmung Klimaanlage Rate Modul DAMA/NaI-5 DAMA/NaI-6 DAMA/NaI7 δt -(0,033±0,050) C -(0,021±0,055) C -(0,030±0,056) C Änderung der Lichtausbeute: -0,2%/ C Relative Änderung der Lichtausbeute <10-4 Temperaturänderungen können als Quelle ausgeschlossen werden Experimente: DAMA
Andere äußere Einflüsse 37 Auch in der Summe nicht relevant (im schlechtesten Fall) Experimente: DAMA
38 Die Raten Die Rate hängt vom Wirkungsquerschnitt σ der WIMP's ab Dieser hängt von der Energie (Geschwindigkeit) und der Masse der WIMP Schwache WW (hier für den inelastischen Stoß eines Sneutrino) elastisch inelastisch Raten 2 kev 4 kev 6 kev 8keV Rückstoßenergie Höchste Raten im unteren Energiebereich erwartet Experimente: DAMA
Kontrollmessung bei höheren Energien Experimente: DAMA 39
40 DAMA-Kritikpunkte DAMA-Evidenz wird kontrovers diskutiert Kritikpunkte: - Rohdaten nie gezeigt (andere Darstellungen: Rückrechnungen) - Stabilität - Signal wurde nicht in allen Modulen gesehen - Untergrund nimmt bei kleinem E ab statt zu - Binningeffekt mehrere andere Experimente müssen Ergebnisse widerlegen Experimente: DAMA
Ausblick 41 Neue Generation: ~ 250 kg noch strahlungsärmeres NaI(Tl) (DAMA/LIBRA) Läuft seit März 2003 ~ 6.5 kg flüssiges Xenon ( DAMA/LXe) Experimente: Dama
42 Tieftemperaturtechnik Nachweis von Ionisation in flüssigen Edelgasen (Xenon) --> Bsp.:Zeplin Messung des Energieübertrags: Auslösung von Gitterschwingungen=Phononen --> Temperaturanstieg Kombination von Beiden --> aktive Untergrundreduzierung Phononenkanal + Lichtkanal Experimente: CRESST CRESST (II)
43 Vorteile der Kyrogenik-Technik WIMP's Untergrund G el a de ne n Te ilc he n (μ -, e -, α) (geladenen Teilchen) WIMP's regen überwiegend Kerne an ( Phononen Temperaturanstieg), Untergrund (elektromagnetisch) überwiegend die Hüllenelektronen (Szintillationlicht) u Ne en n tro WIMPS's WIMP's Ereignisse lassen sich aus dem Untergrund erkennen Experimente: CRESST
CRESST 44 Selber Ort wie DAMA (GranSasso Mine) Benutzt Tieftemperaturtechnik (<15 mk) Aktuelle Version (CRESST II) benutzt bis zu ca.10 kg (in 262 g Modulen) Detektormasse (CaWO4) Ergebnisse im Moment nur von 2 Modulen (20,5 kg d) Experimente: CRESST
Aufbau χ 45 Simultane Licht- und Phonon-Messung W-Thermometer Foto-Detektor Absorber CaWO4 (Phonon-Detektor) Experimente: CRESST Reflektierende Folie W (Wolfram, tungsten): A= 183,9 m(kern) m(wimp) hohe Lichtausbeute bei niedrigen Temperaturen
Funktionsweise der Thermometer 46 Supraleitendes PhasenübergangsThermometer (SPT) Detektoren arbeiten bei ca. 10 mk, supraleitender Zustand Experimente: CRESST
47 Ergebnisse Modul Messdauer [d] Masse [g] Julia /BE14 37,56 291,4 Daisy /BE13 39,04 306,8 Rate für mwimp >10 GeV viel kleiner als anormale Rate bei DAMA Experimente: CRESST
48 Ausblick 2005: Beginn der Installation von 10kg Detektormasse (33 Module) Abgeschotteter Kryostat 66 SQUIDs on He-flange 2004: Installation von PE (Neutron Moderator) Experimente: CRESST PE Neutron-Moderator Plastik-Szintill.: µ-veto 2005: Myon-Veto (gegen von Myonen ausgelöste Neutronen in der Pb/Cu Abschirmung)
Edelweiß Ionisation-Phonon 320g Ge-Detector 49 Fréjus-Tunnel (Frankreich) Thermometer 300g Ge oder 300g Si Testmessung mit Neutronen Ionisation Phononen + Ionisation Experimente: Edelweiß
Zusammenfassung der Ergebnisse 50 Hat DAMA recht?? Zusammenfassung
51 Zusammenfassung
Indirekte Suche: AMS(02)-Experiment 52 Kann Elemente-Verteilung im Universum messen Kann Anteil der Positronen (e +/( e++e-) ) in der kosmischen Strahlung messen Vortrag: Kosmische Strahlung Positronen aus Neutralino-Annihilation (in der Sonne, Massenkonzentration) Suche nach Antimaterie = Suche nach DM Experimente: AMS
Der AMS2-Detektor Teilchendetektor im Weltraum!!! Experimente: AMS 53 Vortrag: Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren
Der AMS2-Detektor Teilchendetektor im Weltraum!!! Experimente: AMS 54 Vortrag: Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren
Erwartungen von SUSY-Modellen 55 Messbereich von AMS Experimente: AMS
56 Deckt erstmal oberen Energiebereich ab 10 10 e e Winkelauflösung <1' (Sonne von Erde: = 0,53 = 32') Quelle von Positronen kann lokalisiert werden Experimente: AMS
Ergebnisse anderer indirekter Experimente 57 Spricht für DAMA! (Halo-Modell, DM-Dichte) Experimente: AMS
58 Ausblick Verbesserung der direkten Suche - Mehr Masse - Reduzierung des Untergrundes - Aktive Untergrundreduzierung Konkret: CDMS & Edelweiß: ähnliche Aufrüstung wie bei CRESST DAMA/LIBRA: 250 kg Detektor läuft schon Indirekte Suche (AMS: 2008? ) Vortrag: Teilchenbeschleuniger zur Produktion von Elementarteilchen Suche an Beschleunigern - Tevatron (läuft schon) - LHC: CMS-Detektor optimiert für SUSY-Suche Wenn SUSY auf der Skala von TeV existiert, wird es am LHC gefunden werden gezieltere Suche Ausblick In Planung: Europäisches Großprojekt: EURECA (EDELWEISS, CRESST,...) Detektormasse im 1TonnenBereich
Axionen nic ht a usg 59 esc hlo sse n Der QCD Lagrangian enthält eine CP verletzende Phase θ (wie Schwache WW) θ ist extrem klein (0), z.b.: elektrisches Dipolmoment des Neutrons: ~ 0 Warum ist θ so klein (< 10-10), jeder Wert (0-2π) möglich ( strong CP problem ) Einführung einer neuen (Peccei-Quinn)- Symmetrie θ Oszillation um das Minimum = neues Teilchen => AXION, erzeugt mit einem sehr kleinen Moment => cold DM Masse der Axionen sehr klein 1 ev Trotzdem könnten sie DM erklären Erwartet: m(axion) 11 μev 1019/m3 Experimente: Axionen
60 PVLAS hochreflektierende, dielektrische Spiegel (Fabry-Perot optical resonator) optischer Weg: 60 km 10-4Pa 6,6T 1m Im B-Feld: linear- elliptisch-polarisiert Elliptisch-polarisierter Anteil gelangt zum Analysator, Frequenz kann gemessen werden. NdYAG: 1064nm Experimente: Axionen
Anderes Experiment + allgemeine Ergebnisse 61 Ähnliches Prinzip mit Mikrowelle n, a 5 z 9 9 1 GH n vo hz 3 a 3 M 300 Experimente: Axionen
Schlusswort Gesamtzusammenfassung (Axionen sind eine nicht populäre Alternative) Bemerkung: DM kann nicht durch das Standard-Modell erklärt werden Selbst, wenn sie gefunden wird, wissen wird immer noch nicht über 70 % (dunkle Energie) unserer Welt...
Ende Ende 63