Die Dunkle Seite des Universums

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3.6.1 Allgemeines Untersuchung der Kinematik der Galaxien nur über Doppler-Effekt ( Linien)

Transkript:

Die Dunkle Seite des Universums Marc Schumann AEC, Universität Bern Physik am Freitag, Bern, 16. Januar 2015 marc.schumann@lhep.unibe.ch www.lhep.unibe.ch/darkmatter

normale Materie Dunkle Materie? 95% des Dark Matter Search with XENON Universums istschumann dunkel Universität Zürich Marc Albert Einstein Center for Fundamental Physics, Bern, 10.05.2012 www.physik.uzh.ch/groups/groupbaudis/xenon/ www.physik.uzh.ch/~schumann Dunkle Energie????

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

& Click 4

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

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

Chemie

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 = 10 10 m

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

15

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

Doppler Effekt 17

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

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

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

Nicht alles was nicht leuchtet... 21

ist auch dunkel 22

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

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

Dunkle Energie? 25

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

Die Suche Direct Detection Indirect Detection Production @Collider 27

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

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

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

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

Dual Phase TPC Unterscheidung Signal/Hintergrund Astropart. Phys. 35, 573 (2012) ER Hintergrund Signal NR (2011) (2011) PRL 107, PRL 131302 107, 131302 Unterscheidungs-Parameter Wo hat das Ereignis stattgefunden? Energie [kevnr] Stoss an Elektron (Hintergrund) 151 µs Stoss an Atomkern (Signal) 33

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

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

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

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

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

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

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

XENON100

XENON100

Physiker bei der Arbeit... 45

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

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

Nichts gefunden und doch glücklich??? 48

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

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

XENON1T @ LNGS 51

52

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

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...

Warum???