Universums mörka materia (Joakim Edsjö) - Skolverket
Universums mörka materia (Joakim Edsjö) - Skolverket
Universums mörka materia (Joakim Edsjö) - Skolverket
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Universums</strong> <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong><br />
<strong>Joakim</strong> <strong>Edsjö</strong><br />
The Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics<br />
Fysikum, Stockholms universitet<br />
edsjo@fysik.su.se<br />
22 november 2011
Idag ska vi prata om rymden<br />
Jag kanske inte kan lova<br />
Di Levas kosmiska ljus,<br />
men lite mer väl<br />
underbyggt<br />
kosmologiskt mörker<br />
ska det nog kunna bli
Samstämmighetsmodellen<br />
Vi har nu ganska god<br />
samstämmighet mellan<br />
observationer från<br />
• supernovor (SCP, HZT)<br />
• den kosmiska<br />
bakgrundsstrålningen<br />
(WMAP)<br />
• galaxstudier (2dF, SDSS)<br />
• med mera<br />
Vanlig <strong>materia</strong><br />
4 %<br />
Mörk <strong>materia</strong><br />
24 %<br />
Se Rahmans<br />
föredrag!<br />
Mörk energi<br />
72 %<br />
Den <strong>mörka</strong> energin driver på expansionen av Universum och gör att<br />
Universum accelererar. Mörka <strong>materia</strong>n bidrar med massa och hjälper<br />
till att bilda strukturer (galaxer med mera).
Innehåll<br />
• Varför tror vi att mörk <strong>materia</strong><br />
finns?<br />
• Vad kan den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n vara?<br />
• Hur kan man leta efter mörk<br />
<strong>materia</strong>?
Astropartikelfysik<br />
Från det allra minsta till det allra största<br />
Figur från www.quarkstothecosmos.org
Bild från GoSkyWath för iPad<br />
Andromedagalaxen<br />
Cassiopeia<br />
“Spritångorna”<br />
Andromeda<br />
“Snapsglaset”<br />
Falun, 2011-11-22 20:00
Andromedagalaxen / M31<br />
2,5 miljoner ljusår från jorden<br />
• Vi ser stjärnor och gas. Finns det något mer?<br />
1 ljusår ≈ 9.5 · 10 12 km
Gravitationslinser<br />
• De blå bågarna är ljus<br />
från en<br />
bakgrundsgalax som<br />
har böjts av när ljuset<br />
passerat nära<br />
galaxhopen.<br />
• Galaxhopen fungerar<br />
som en gravitationslins.
Principen för gravitationslinser<br />
Bild från Tyson, Bell Labs<br />
Ljuset från den avlägsna<br />
galaxhopen böjs av<br />
p.g.a. gravitationen från<br />
den mellanliggande<br />
galaxhopen.
Gravitationslinser<br />
simulering<br />
http://www.lsst.org/Science/mpeg.shtml
Projektil-hopen NASA/Chandra
Big Bang Nukleosyntes<br />
Figur från www.quarkstothecosmos.org
Vad består vanlig <strong>materia</strong> av?<br />
proton<br />
elektron<br />
proton<br />
neutron<br />
gluon<br />
nerkvark<br />
uppkvark
Standardmodellen för partikelfysik<br />
e-<br />
νe<br />
u<br />
d<br />
Leptoner<br />
µ-<br />
νµ<br />
Kvarkar<br />
c<br />
s<br />
τ-<br />
ντ<br />
t<br />
b<br />
Växelverkanspartiklar<br />
W +<br />
Z 0<br />
γ<br />
g<br />
W-boson<br />
Z-boson<br />
Foton<br />
Gluon<br />
+ H - Higgsbosonen,<br />
ger partiklar massa<br />
Se Gunnars föredrag!
Vad består <strong>materia</strong>n av?<br />
• När universum var några<br />
minuter gammalt fanns<br />
fria protoner och<br />
neutroner<br />
• Fria neutroner<br />
sönderfaller på knappt 15<br />
minuter till protoner,<br />
elektroner och neutriner.<br />
• Det är en kamp mot<br />
klockan att hinna binda<br />
neutronerna i atomkärnor<br />
innan de sönderfaller.<br />
• Ju fler neutroner och<br />
protoner det finns, desto<br />
lättare blir det att bilda<br />
tyngre grundämnen än<br />
väte.
Materians beståndsdelar<br />
• Materian består av<br />
- mörk <strong>materia</strong> 85%<br />
- vanlig <strong>materia</strong> 15%,<br />
varav synlig <strong>materia</strong><br />
4-5%<br />
Vanlig <strong>materia</strong><br />
15 %<br />
Mörk <strong>materia</strong><br />
85 %<br />
Det mesta av <strong>materia</strong>n är i någon annan form än vi<br />
känner till (dvs vanlig <strong>materia</strong>)!
Samstämmighetsmodellen<br />
Vi har nu ganska god<br />
samstämmighet mellan<br />
observationer från<br />
• supernovor (SCP, HZT)<br />
• den kosmiska<br />
bakgrundsstrålningen<br />
(WMAP)<br />
• galaxstudier (2dF, SDSS)<br />
• med mera<br />
Vanlig <strong>materia</strong><br />
4 %<br />
Mörk <strong>materia</strong><br />
23 %<br />
Se Rahmans<br />
föredrag<br />
Mörk energi<br />
73 %<br />
Den <strong>mörka</strong> energin driver på expansionen av Universum och gör att<br />
Universum accelererar. Mörka <strong>materia</strong>n bidrar med massa och hjälper<br />
till att bilda strukturer (galaxer med mera).
Vad består den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n av?<br />
• Antagligen består den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n av<br />
någon ny form av elementarpartikel<br />
• Om en elementarpartikel<br />
- är massiv<br />
- växelverkar svagt<br />
så är den ofta en utmärkt mörk <strong>materia</strong>-<br />
kandidat.
Mörk <strong>materia</strong>-kandidater<br />
• Baryonisk mörk <strong>materia</strong><br />
• Axioner<br />
• Neutriner<br />
• Weakly Interacting Massive Particles<br />
(WIMPar)<br />
• etc...<br />
kan bara vara en liten del av<br />
den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n (BBN & CMB)<br />
kan vara en del av den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n<br />
kan bara vara en liten del av den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n<br />
(skulle ge för lite små-skaliga strukturer annars)<br />
kan vara en betydande del av den <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n<br />
exempel: neutralino i supersymmetriska modeller
Utfrysning av mörk <strong>materia</strong><br />
Tidigt i universum:<br />
Många kollisioner<br />
Mörk <strong>materia</strong> skapas<br />
och förintas<br />
kontinuerligt<br />
+ +<br />
= mörk <strong>materia</strong><br />
= vanlig <strong>materia</strong><br />
Tid<br />
Senare i universum:<br />
Universum har expanderat och<br />
mörk <strong>materia</strong>partiklarna stöter<br />
inte längre på varandra. De som är<br />
kvar är kvar än idag. Utfrysning!
Utfrysning i det tidiga universum<br />
Utfrysning sker då<br />
< H<br />
Vi har att<br />
= annv⇥n<br />
n eq = g<br />
m T<br />
2<br />
H(T ) = 1.66g 1/2<br />
H ⇥ Tf<br />
⇥ 3/2<br />
e<br />
T 2<br />
mPlanck<br />
m<br />
20<br />
h 2 ⇥ 3 10 27 cm 3 s 1<br />
m /T<br />
0.01<br />
0.001<br />
0.0001<br />
1 10 100 1000<br />
Figure 4. Comoving number density of a WIMP in the early Universe. The dashed cu<br />
the actual abundance, and the solid curve is the equilibrium abundance. From [31].<br />
Γ = nχ 〈σAv〉 = H), we find<br />
⇤ annv⌅ ⇤ annv⌅ ⇤ annv⌅W IMP ⇥ h 2<br />
<br />
nχ<br />
s 0<br />
=<br />
<br />
nχ<br />
s f<br />
<br />
100<br />
mχmPlg 1/2<br />
∗ 〈σAv〉<br />
1
•<br />
•<br />
•<br />
Supersymmetri<br />
Standardmodellen för partikelfysik<br />
är mycket framgångsrik, men den<br />
har ett antal teoretiska problem<br />
T.ex. ger kvantmekaniska<br />
korrektioner oändliga bidrag till<br />
Higgsbosonens massa<br />
Om man antar att det finns en<br />
symmetri, supersymmetri, mellan<br />
fermioner (partiklar med halvtaligt<br />
spinn) och bosoner (partiklar med<br />
heltaligt spinn) så tar dessa<br />
oändligheter ut varandra.<br />
•<br />
Supersymmetri följer också<br />
naturligt från strängteori.
De supersymmetriska partiklarna<br />
Normal particles/fields Supersymmetric particles/fields<br />
q = d, c, b, u, s, t ˜qL, ˜qR ˜q1, ˜q2<br />
l = e, µ, τ<br />
˜ lL, ˜ lR<br />
˜ l1, ˜ l2<br />
ν = νe,νµ,ντ ˜ν ˜ν<br />
g ˜g ˜g<br />
˜χ ± 1,2<br />
W<br />
B˜<br />
3 W-boson<br />
Higgs boson<br />
wino<br />
Higgsino<br />
B-field<br />
W W˜ 3<br />
Bino<br />
3 -field<br />
Wino<br />
W ± ˜ W ±<br />
H ± ˜ H ± ˜χ ± 1,2<br />
B<br />
H 0 ˜ 1<br />
H<br />
0<br />
H 1<br />
0 ˜H<br />
2<br />
0 H 1<br />
0 2<br />
H˜ 0<br />
H 2<br />
0 ˜H 3<br />
0 Higgs boson<br />
Higgs boson<br />
Higgs boson 2<br />
Interaction eigenstates Mass eigenstates<br />
Symbol Name Symbol Name Symbol Name<br />
quark squark squark<br />
lepton slepton slepton<br />
neutrino sneutrino sneutrino<br />
gluon gluino gluino<br />
Higgsino<br />
Higgsino<br />
˜χ 0 ˜χ 1,2,3,4<br />
0 ˜χ 1,2,3,4<br />
0 ˜χ 1,2,3,4<br />
0 ˜χ 1,2,3,4<br />
0 ˜χ 1,2,3,4<br />
0 1,2,3,4<br />
chargino<br />
neutralino<br />
Den lättaste neutralinon är en utmärkt mörk <strong>materia</strong>kandidat!
Strukturbildning<br />
N-body-simulering av<br />
galaxbildning (Via Lactea)
The Millenium II Simulation<br />
900 miljoner år<br />
3,2 miljarder år<br />
6 miljarder år<br />
13,7 miljarder år<br />
Tid<br />
arXiv:0903.3041<br />
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium-II/
The Millenium II Simulation
Och hur ser det ut på riktigt?<br />
Figur från 2dF GRS: www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/<br />
2dF galaxy survey<br />
• Ca. 250 000<br />
galaxer ut<br />
till 2.5<br />
miljarder<br />
ljusår<br />
1 ljusår = 9.5 · 10 15 meter
2dF galaxy survey – the movie<br />
Film från 2dF GRS: www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/
Jämförelse av<br />
observationer<br />
och simuleringar<br />
Springel, Frenk &<br />
White, 2006<br />
Obs<br />
Sim
Olika sätt att leta efter mörk <strong>materia</strong><br />
Vid acceleratorer Direktdetektion<br />
• LHC (ATLAS)<br />
• Sällsynta sönderfall<br />
• ...<br />
• Gammastrålning från galaxen<br />
• Neutriner från jorden/solen<br />
• Antiprotoner från galaxen<br />
• Antideutroner från galaxen<br />
Vi<br />
• Spridning av mörk<br />
<strong>materia</strong>-partiklar i en<br />
detektor på jorden<br />
• Positroner från galaxen<br />
• Mörka stjärnor (dark stars)<br />
• ...<br />
Inom Sverige finns en expertis framförallt inom<br />
indirekta signaler och acceleratorsignaler. Vi rör oss<br />
även mot direkt detektion.<br />
www.darksusy.org
χ<br />
December<br />
Direkt detektion<br />
Detector<br />
Nucleus<br />
χ χ χ<br />
allmänna principer<br />
June<br />
χ<br />
• WIMP + atomkärna →<br />
WIMP + atomkärna<br />
• Mät rekylenergin<br />
• Ha tillräckligt låg bakgrund,<br />
eller...<br />
•# ...sök efter en årlig modulation<br />
som uppkommer p.g.a. jordens<br />
rörelse runt solen
Annihilation i galaxens halo<br />
Neutrala annihilationsprodukter<br />
χχ → γγ,Zγ,ν<br />
χχ → γ,ν<br />
• Gammastrålning kan letas efter med Air Cherenkov<br />
Telescopes (ACTs) eller Fermi-LAT.
Fermi<br />
Gamma ray Large Area Space Telescope<br />
• Satellit som<br />
skickades upp av<br />
NASA i juni 2008<br />
• Svenska forskare<br />
har varit med<br />
och byggt<br />
satelliten<br />
• Letar bland annat<br />
efter mörk<br />
<strong>materia</strong>
Analys av dvärggalaxer med Fermi<br />
2011 Fermi Symposium, Roma,<br />
Maja Llena Garde, Stockholms universitet:<br />
and institu<br />
ment and t<br />
tific data a<br />
nautics and<br />
ment of En<br />
sariat à l’E<br />
de la Rech<br />
Physique N<br />
France, the<br />
tuto Nazion<br />
of Educatio<br />
ogy (MEXT<br />
ganization<br />
Mörk <strong>materia</strong>-området<br />
Agency (JA<br />
Foundation<br />
Swedish Na<br />
Experimenten börjar bli så känsliga att vi faktiskt snart<br />
skulle FIG. 1. kunna 95% Upper se limits spår on av WIMP den annihilation <strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n! cross sec-<br />
¯<br />
arXiv:1108.3546, Phys. Rev. Lett., 2011
Gamma-experiment med<br />
svensk inblandning<br />
Fermi Large Area Telescope<br />
(sedan 2006)<br />
100 MeV-300 GeV<br />
High Energy Stereoscopic<br />
System (H.E.S.S.), sedan 2009<br />
(100 GeV – 10 TeV)<br />
Cherenkov Telescope Array (CTA)<br />
sedan 2008 (färdigt ~ 2018)<br />
(20 GeV – 100 TeV)<br />
39
Annihilation i halon<br />
Laddade annihilationsprodukter<br />
Diffusion zone<br />
χχ → ¯p, ¯ D, e +<br />
• Diffusion av laddade partiklar på de stokastiska<br />
magnetfält som finns i galaxen..<br />
• Pamela (med svenskt deltagande) har t.ex mätt<br />
positroner och antiprotoner.<br />
• Pamela ser en excess av positroner, som vi ännu inte<br />
vet exakt var de kommer ifrån.
))<br />
-<br />
(e<br />
<br />
)+<br />
+<br />
(e<br />
<br />
) / (<br />
+<br />
(e<br />
<br />
Positron fraction<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.02<br />
Data och förväntade bakgrunder<br />
PAMELA<br />
Positronandelen e + +e - spektrum<br />
O. Adriani et al., [PAMELA], arXiv: 0810.4995 (Nature)<br />
0.01<br />
1 10 100<br />
Energy (GeV)<br />
A.A. Abdo et al, [Fermi-LAT], arXiv: 0905.0025 (PRL)<br />
Vi ser lite mer än förväntat! Kan det vara från mörk <strong>materia</strong>?<br />
Kanske, men det kan också vara positroner och elektroner från t.ex.<br />
pulsarer. Vi behöver mer data och från olika experiment för att lära oss mer.
AMS uppskjutning 16 maj 2011<br />
Endeavours sista flygning
AMS =<br />
Alpha<br />
Magnetic<br />
Spectrometer<br />
• Kommer att kunna mäta t.ex. positroner,<br />
antiprotoner och antideutroner mer noggrant<br />
och till högre energier än tidigare. Kanske<br />
kan den ge ledtrådar om den <strong>mörka</strong><br />
<strong>materia</strong>n?<br />
Bild från ISS 2011-05-18
WIMP-infångning i jorden/solen<br />
Solen<br />
χ<br />
χ<br />
Silk, Olive and Srednicki ‘85<br />
Gaisser, Steigman & Tilav ‘86<br />
νµ<br />
Detektor<br />
Jorden<br />
µ<br />
Freese ‘86<br />
Krauss, Srednicki & Wilczek ‘86<br />
Gaisser, Steigman & Tilav ‘86
Neutrinoteleskop<br />
hur fungerar de?<br />
• Neutrinon<br />
krockar med en<br />
atomkärna i isen<br />
och kan bilda en<br />
myon<br />
• Myonen utsänder<br />
Cherenkowstrålning<br />
• PM-rören<br />
detekterar detta<br />
ljus och från det<br />
kan man räkna ut<br />
varifrån myonen<br />
(och neutrinon)<br />
kom
IceCube<br />
Neutrino-teleskop på sydpolen<br />
Färdigbyggt och började ta<br />
data 2011-05-15<br />
(1 km 3 )<br />
IceCube<br />
80 Strings<br />
4800 PMT<br />
IceTop<br />
1400 m<br />
2400 m<br />
Skiway<br />
AMANDA<br />
South Pole
Sammanfattning<br />
• Många (indirekta) belägg för den <strong>mörka</strong><br />
<strong>materia</strong>ns existens<br />
• Vi vill dock ha mer direkta observationer<br />
som kan ge oss ledtrådar om vad den<br />
<strong>mörka</strong> <strong>materia</strong>n är<br />
• Många nya experiment har en känslighet för<br />
att kunna testa realistiska modeller, t.ex.<br />
flera direktdetektionsexperiment, Fermi,<br />
IceCube, AMS och så klart LHC (se<br />
Gunnars föredrag).<br />
<strong>Joakim</strong> <strong>Edsjö</strong>: edsjo@fysik.su.se
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Referenser<br />
Bergström, <strong>Edsjö</strong> & Goobar, “<strong>Universums</strong> <strong>mörka</strong><br />
baksida”, Kosmos, 2006<br />
Mörtsell, “<strong>Universums</strong> mystiska mörker”, Forskning<br />
och Framsteg Nr 4, 2006:<br />
http://www.fof.se/tidning/2006/4/universums-<br />
mystiska-morker<br />
Webbverktyg för att anpassa rotationskurvor för<br />
galaxer:<br />
http://burro.case.edu/JavaLab/RotcurveWeb/<br />
Det finns också ett flertal appar till iPhone, iPad<br />
och Android för att titta ut i rymden, t.ex.<br />
GoSkyWatch for iPhone/iPad och Google Sky för<br />
Android.<br />
<strong>Joakim</strong> <strong>Edsjö</strong>: edsjo@fysik.su.se
Slut...<br />
<strong>Joakim</strong> <strong>Edsjö</strong><br />
edsjo@fysik.su.se
Change language