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<strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong><br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien<br />
Betreuer: Christopher Wiebusch<br />
<strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong><br />
Dirk Lennarz<br />
RWTH Aachen<br />
16. Januar 2007<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -1-
Inhalt<br />
�� Wie kam man auf die Idee, dass es “<strong>Dunkle</strong> <strong>Dunkle</strong><br />
<strong>Materie</strong>” <strong>Materie</strong> gibt?<br />
�� Was wissen wir über ber <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong>?<br />
�� Welche Kandidaten für f r <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> gibt es<br />
und wie sucht man danach?<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -2-
1. Teil<br />
1. Teil<br />
Wie kam man auf die<br />
Idee, dass es “<strong>Dunkle</strong><br />
<strong>Materie</strong>” gibt?<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -3-
Einleitung<br />
Beginn <strong>der</strong> Geschichte <strong>der</strong> <strong>Dunkle</strong>n <strong>Materie</strong> im Jahre<br />
1846 mit <strong>der</strong> Entdeckung des Planeten Neptuns<br />
Problem: Problem Bahn des Uranus (auch mit Störungsrechnung<br />
aller bisher bekannten Planten) zu ungenau<br />
Lösung<br />
sung von Adams in England und Leverrier in Frankreich: ein<br />
unbekannter 8. Planet stört die Bahn des Uranus<br />
Theoretische Vorhersage von Leverrier führte zur Entdeckung des<br />
Neptun durch Galle in Berlin<br />
Definition <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong>: eine für uns nur über die<br />
Gravitation wahrnehmbare (d.h. messbare) Masse<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -4-
Virialtheorem<br />
Erster Hinweis auf <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> stammt schon aus dem<br />
Jahr 1933 von Fritz Zwicky<br />
Anwendung des Virialtheorems auf<br />
einen Galaxienhaufen (Coma Cluster)<br />
zur Massenbestimmung<br />
Virialtheorem:<br />
Virialtheorem<br />
Geschwindigkeiten über Dopplereffekt<br />
Faktor 3, da<br />
Geschwingkeiten<br />
gleichverteilt<br />
über den Raum<br />
Ergebnis: Ergebnis Verhältnis von Masse zu<br />
Leuchtkraft ist etwa 300 größer als<br />
das Verhältnis für die Sonne<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -5-
Rotationskurven<br />
Definition: Definition Rotationsgeschwindigkeit als Funktion des radialen Abstands<br />
zum Zentrum<br />
Messung: Messung Dopplereffekt von zwei Sternen im selben Abstand zum Zentrum<br />
Modell einer Spiralgalaxie:<br />
Sphäroidischer Kern („bulge“)<br />
und Scheibe („disk)<br />
Im bulge ist die Dichte nahezu<br />
konstant<br />
=> M(R) nimmt kubisch zu,<br />
Rotationskurve steigt linear an<br />
In <strong>der</strong> Scheibe än<strong>der</strong>t sich<br />
M(R) nur noch gering, bleibt<br />
nahezu konstant<br />
=> Rotationskurve fällt<br />
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Rotationskurven<br />
Ergebnis: Ergebnis Rotationsgeschwindigkeiten bis zum sichtbaren Rand konstant<br />
Nur erklärbar für einen Halo<br />
aus <strong>Dunkle</strong>r <strong>Materie</strong> mit<br />
Gesamtmasse des dunklen<br />
Halo nicht bestimmbar, da<br />
Ausdehnung unbekannt<br />
Ergebnis: Ergebnis Am sichtbaren<br />
Rand ist Verhältnis von<br />
<strong>Dunkle</strong>r <strong>Materie</strong> zur<br />
leuchtenden <strong>Materie</strong> in<br />
<strong>der</strong> Größenordnung 10:1<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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Gravitationslinsen<br />
Klassisch: Teilchen wird durch<br />
Gravitation abgelenkt:<br />
Im Prinzip auch Lichtstrahlen, aber Allgemeine<br />
Relativitätstheorie erfor<strong>der</strong>lich:<br />
Überlegung Fritz Zwicky 1937: Auswirkung von<br />
Galaxiehaufen als Gravitationslinse<br />
Entstehung (virtueller) Bil<strong>der</strong> je nach Linsenform<br />
und Positionen, auch kreisförmig (Einstein Ringe)<br />
Video:<br />
Aus Durchmesser eines Einstein Rings<br />
Masse bestimmbar:<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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2. Teil<br />
2. Teil<br />
Was wissen wir über<br />
<strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong>?<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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<strong>Materie</strong>haushalt<br />
Kurze Einführung in die Kosmologie<br />
Grundlage: Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein<br />
Masse krümt den Raum => Metrik i.A. sehr kompliziert<br />
Für ein isotropes, homogenes, expandierendes Universum:<br />
Robertson-Walker Metrik<br />
Idee: lasse lokales Koordinatensystem invariant und vergrößere nur Skala<br />
Feldgleichungen vereinfachen sich zur Friedman Gleichung<br />
Vereinfachen mittels<br />
kritischer Dichte:<br />
Schreibweise:<br />
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Grundpfeiler<br />
Beobachtungen und Theorien auf denen unserer heutiger Kenntnisstand<br />
über den <strong>Materie</strong>haushalt des Universums basiert:<br />
� Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB):<br />
� Super Novae:<br />
� Nukleosynthese:<br />
� Strukturbildung:<br />
und und<br />
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CMB<br />
Vorhersage isoptroper Hintergrundstrahlung 1948 von Gamov,<br />
Alpher, Herman als Konsequenz <strong>der</strong> Urknaltheorie<br />
Universum durchsichtig rund 380.000 Jahre nach Urknall,<br />
vorher thermisches Gleichgewicht von Strahlung und <strong>Materie</strong><br />
Entdeckung 1964 eher zufällig<br />
durch Penzias und Wilson<br />
(Nobelpreis 1978)<br />
1989 COBE (Mather und Smoot)<br />
um Hintergrundstrahlung zu<br />
vermessen (Nobelpreis 2006)<br />
2002 WMAP (Wilkinson<br />
Microwave Anisotropy Probe)<br />
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CMB: Energiedichte<br />
Experimente COBE: FIRAS (John Mather) um<br />
Intensitätsspektrum zu vermessen (bis heute unverbessert)<br />
Ergebnis FIRAS im Januar 1990: Exakte Übereinstimmung mit<br />
den theoretischen Kurven eines Planck Spektrums<br />
Aus Daten: genau Bestimmung<br />
<strong>der</strong> Temperatur möglich<br />
Energiedichte berechenbar<br />
Anteil <strong>der</strong> Photonen an heutiger<br />
Energiedichte gering, daher<br />
vernachlässigbar<br />
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CMB: Anisotropien<br />
Zweite Cobe Experiment: DMR (George Smoot) um<br />
Fluktuationen zu untersuchen<br />
Fluktuationen sind durch Gravitation angewachsen und<br />
haben zu allen Strukturen im Universum geführt<br />
Entdeckung erst im Jahr April 1992<br />
Dominieren<strong>der</strong> Dopplerdipol durch Bewegung im<br />
CMB-Bezugssystem und Emission aus <strong>der</strong><br />
Milchstraße müssen erst subtrahiert werden<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Anisotropien nach<br />
Kugelflächenfunktionen<br />
Kosmologische Informationen stecken vor allem in<br />
<strong>der</strong> Separation zweier Punkte (nur ein Winkel)<br />
Leistung einer l-Mode:<br />
Winkelskala in etwa gegen durch 180°/l<br />
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CMB: Analyse<br />
Leistung einer l-Mode aus Modelen vorhersagbar: Sachs-Wolfe-Effekt,<br />
akustische Schwingungen, Silk-Dämpfung<br />
Andrei Sacharow:<br />
Fluktuationen durch<br />
akustische Oszillationen des<br />
Photon-Plasma-Fluids führen<br />
zu charakteristischen l-Moden<br />
auf kleinen Winkelskalen<br />
COBE: Auflösung von 7°<br />
Brauche bessere Auflösung<br />
WMAP: Auflösung von 0,2°<br />
Wieso ist das<br />
eigentlich interessant?<br />
wegen Korrelationen => „Band-Leistung“<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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CMB: Ergebnisse<br />
Parameter des <strong>Materie</strong>haushalts bestimmen Aussehen <strong>der</strong> Moden<br />
Position des 1. Maximums sehr sensitiv auf Wert von k<br />
Mit leichter Einschränkung auf h wurde bestimmt:<br />
Unser Universum ist euklidisch (k=0)<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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CMB: Ergebnisse<br />
Weitere Analyse: k nicht mehr als freier Parameter, son<strong>der</strong>n k=0<br />
Höhe des ersten Maximums sensitiv auf Baryonen- und <strong>Materie</strong>dichte<br />
Aber weitere Maxima vor allem sensitiv auf <strong>Materie</strong>dichte<br />
Daraus bestimmbar:<br />
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Super Novae<br />
Super Novae: Novae Sternexplosionen am Ende <strong>der</strong> Lebenszeit eines Sterns<br />
Detektion: Detektion alle 4 Tage wird <strong>der</strong><br />
selbe Quadrant gemessen und<br />
ein Referenzbild abgezogen<br />
Hier interessant: Super Nova Explosionen Typ<br />
Ia (SNIa)<br />
Standardkerzen weil aus Modell für SN absolute<br />
Luminosität berechenbar => durch Vergleich mit<br />
gemessener Luminosität Abstand bestimmbar<br />
Mit diesem Abstand und <strong>der</strong> Rotverschiebung zeitlichen Verlauf <strong>der</strong><br />
Hubblekonstante („Expansionsgeschwindigkeit“) berechnen<br />
Nur Differenz aus <strong>Materie</strong>dichte und <strong>Dunkle</strong>r Energie bestimmbar<br />
Grund: mehr <strong>Dunkle</strong> Energie beschleunigt Expansion, kann aber durch mehr<br />
<strong>Materie</strong> wie<strong>der</strong> gebremst werden => nur Differenz konstant<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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Super Novae<br />
Korrigierte Helligkeit<br />
Ergebnisse: Ergebnisse<br />
Residuenplot<br />
Gute Übereinstimmung mit CMB-Daten!<br />
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Nukleosynthese<br />
Primordiale Nukleosynthese (BBN):<br />
Entstehung leichter Elemente im frühen<br />
(3 min) Universum (Gamov 1946)<br />
Aus <strong>der</strong> Elementarteilchenursuppe<br />
entstehen Protonen und Neutronen, die<br />
bei hohen Temperaturen über schwache<br />
WW im Gleichgewicht stehen<br />
Bei sinken<strong>der</strong> Temperatur „freeze-out“ <strong>der</strong><br />
Neutronen, β-Zerfall möglich, Beginn <strong>der</strong><br />
Nukleosynthesekette mit Deuterium<br />
Prozeß ist fast nur abhängig vom Baryon-<br />
Photon-Verhältnis<br />
Photonendichte aus CMB-Spektrum<br />
Anpassung für Baryondichte möglich:<br />
Gute Übereinstimmung mit CMB-Daten!<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -20 20-
Strukturbildung<br />
Galaxy Surveys<br />
zur Bestimmung<br />
von Entfernungen<br />
und Positionen<br />
von Galaxien<br />
2dF: Verteilung<br />
von ca. 220.000<br />
Galaxien ermittelt<br />
Ziel: statistische<br />
Analyse<br />
Mittel dazu:<br />
Dichtekontrastfunktion<br />
Als Fourietransformierte:<br />
Betrachte wie<strong>der</strong> k-Moden im Leistungssprektrum<br />
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Strukturbildung<br />
Leistungssprektrum abhängig von<br />
<strong>Materie</strong>- und Baryonendichte<br />
Annahme Baryonendichte aus<br />
Strukturbildung:<br />
Baryonen verursachen<br />
„schwingen“ in <strong>der</strong> Kurve<br />
Anpassen an Messdaten<br />
Ergebnis <strong>der</strong> Anpassung:<br />
Gute Übereinstimmung mit CMB-Daten!<br />
Weitere Einschränkung für <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong>: sie sollte „kalt“ sein, d.h. nicht<br />
relativistisch zum Zeitpunkt <strong>der</strong> Galaxiebildung<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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Zusammenfassung<br />
WMAP Ergebnisse erfahren kaum<br />
Verbesserung durch Kombination mit<br />
an<strong>der</strong>en Messungen<br />
Dennoch wichtig, da unabhängige<br />
Bestätigungen<br />
<strong>Materie</strong>haushalt<br />
des Universums:<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -23 23-
<strong>Materie</strong>formen<br />
� Photonen<br />
Eine zu vernachlässigende Größe<br />
� Neutrinos<br />
Durch Kombination von WMAP, Strukturbildung und Super<br />
Novae obere Grenze festlegbar:<br />
Ebenso vernachlässigbar wie Photonen<br />
Für Neutrinos mit Masse 0,0005 eV bis 1 MeV gilt:<br />
� Leuchtende <strong>Materie</strong><br />
Durch Messung <strong>der</strong> Helligkeit des Universums Anteil <strong>der</strong><br />
leuchtenden <strong>Materie</strong> an <strong>Materie</strong>haushalt feststellbar:<br />
Beste Erklärung: Gas im Intergalaktischen Medium (IGM)<br />
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Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -24 24-
Zusammenfassung<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -25 25-
3. Teil<br />
3. Teil<br />
Welche Kandidaten<br />
für <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong><br />
gibt es und wie sucht<br />
man danach?<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -26 26-
Kandidaten<br />
� Aus Nukleosynthese: Baryonen erklären<br />
<strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> nicht => Notwendigkeit<br />
nichtbaryonischer <strong>Materie</strong><br />
� Neutrinos sind zu leicht<br />
Neue Teilchen braucht das Land<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen:<br />
� stabil auf kosmologischen Zeitskalen<br />
� geringe Wechselwirkung mit EM-Strahlung<br />
Ideen<br />
WIMPs<br />
Axionen<br />
Schweres Neutrino<br />
Topologische Defekte (Magnetische<br />
Monopole, Kosmische Strings)<br />
…<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
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WIMPs<br />
WIMP= Weakly interacting massive particle<br />
Eigenschaften<br />
� Masse ungefähr zwischen 10 GeV und einigen TeV<br />
� Wirkungsquerschnitt vergleichbar mit dem <strong>der</strong> schwachen WW<br />
� „Freeze out“ vor normaler <strong>Materie</strong><br />
Kandidat mit diesen Eigenschaften: das LSP aus <strong>der</strong> SUSY Theorie<br />
Suche<br />
Direkt:<br />
a) Beschleuniger<br />
b) Wechselwirkung kosmischer WIMPS<br />
Indirekt (WIMP Anilierungsprodukte):<br />
a) Vernichtung in Gammas<br />
b) Vernichtung in Neutrinos<br />
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WIMPs: Direkt<br />
Schwierig, wegen <strong>der</strong> geringen Detektierungsrate Rate: 10 -1 - 10 -5 /kg/Tag<br />
Weitere Probleme: kosmische Strahlung, natürliche Radioaktivität<br />
Lösungen: Untergrundexperimente, Abschirmung natürlicher<br />
Radioaktivität des Gesteins, reine Detektormaterialien<br />
Rückstoßenergien von 10<br />
bis 100 keV<br />
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Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -29 29-
WIMPs: Direkt<br />
RWTH Aachen<br />
Prof. Baudis<br />
Bisher keine Signifikanz für kosmische WIMPs!<br />
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WIMPs: Indirekt<br />
WIMPs werden von Himmelskörpern eingefangen => erhöhte Annilierung<br />
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Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -31 31-
WIMPs: Indirekt<br />
IceCube Neutrino Teleskop mit<br />
Beteiligung <strong>der</strong> RWTH Aachen<br />
(Prof. Wiebusch)<br />
Fertigstellung: 2011<br />
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Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -32 32-
Zusammenfassung<br />
� Es gibt experimentele und theoretische Notwendigkeit für <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong><br />
� Wir wissen schon relativ viel über die Menge und was sie nicht ist<br />
� <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> wird nicht durch das Standard-Modell erklärt<br />
=> Standard-Modell unvollständig<br />
� <strong>Dunkle</strong> Energie muss auch noch erklärt werden<br />
Es gibt viel zu tun, packen wir‘s an!<br />
"Es gibt eine Theorie, die besagt, wenn jemals irgendwer<br />
genau herausfindet, wozu das Universum da ist und warum<br />
es da ist, dann verschwindet es auf <strong>der</strong> Stelle und wird<br />
durch noch etwas Bizarreres und Unbegreiflicheres ersetzt. -<br />
Es gibt eine an<strong>der</strong>e Theorie, nach <strong>der</strong> das schon passiert ist."<br />
Hadron-Kolli<strong>der</strong><br />
Hadron Kolli<strong>der</strong>-Experimente Experimente bei sehr hohen Energien <strong>Dunkle</strong> <strong>Materie</strong> -33 33-
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