Mörk materia (Edsjö) - Skolverket
Mörk materia (Edsjö) - Skolverket
Mörk materia (Edsjö) - Skolverket
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Universums mörka <strong>materia</strong><br />
Joakim <strong>Edsjö</strong><br />
The Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics<br />
Fysikum, Stockholms universitet<br />
edsjo@fysik.su.se<br />
15 november 2012
Idag ska vi prata om mörker<br />
• Rahman har pratat om mörk energi<br />
• Jag ska prata om<br />
mörk <strong>materia</strong><br />
• Blir det för mycket<br />
mörker, så...
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
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 />
<strong>Mörk</strong> <strong>materia</strong><br />
24 %<br />
Vanlig <strong>materia</strong><br />
4 %<br />
Se Rahmans<br />
föredrag!<br />
<strong>Mörk</strong> energi<br />
72 %<br />
Den mörka energin driver på expansionen av Universum och gör att<br />
Universum accelererar. <strong>Mörk</strong>a <strong>materia</strong>n bidrar med massa och hjälper till att<br />
bilda strukturer (galaxer med mera).
Innehåll<br />
• Varför tror vi att mörk <strong>materia</strong> finns?<br />
• Vad kan den mörka <strong>materia</strong>n vara?<br />
• Hur kan man leta efter mörk <strong>materia</strong>?
Astropartikelfysik<br />
Från det allra minsta till det allra största<br />
Figur från www.quarkstothecosmos.org
Bild från Pocket Universe på iPad<br />
Andromedagalaxen<br />
“Snapsglaset”<br />
Cassiopeia<br />
“Spritångorna”<br />
Andromeda<br />
Luleå, 2012-11-14
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<br />
gravitationslins.
Bild från Tyson, Bell Labs<br />
Principen för gravitationslinser<br />
Ljuset från den avlägsna<br />
galaxhopen böjs av p.g.a.<br />
gravitationen från den<br />
mellanliggande 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, ger<br />
partiklar massa<br />
Se Rikards föredrag!
•<br />
•<br />
•<br />
Vad består <strong>materia</strong>n av?<br />
När universum var några<br />
minuter gammalt fanns fria<br />
protoner och neutroner<br />
Fria neutroner sönderfaller<br />
på knappt 15 minuter till<br />
protoner, elektroner och<br />
neutriner.<br />
Det är en kamp mot klockan<br />
att hinna binda neutronerna i<br />
atomkärnor innan de<br />
sönderfaller.<br />
• Ju fler neutroner och<br />
protoner det finns, desto<br />
lättare blir det att bilda<br />
tyngre grundämnen än 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 />
<strong>Mörk</strong> <strong>materia</strong><br />
85 %<br />
Det mesta av <strong>materia</strong>n är i någon annan form än vi känner till<br />
(dvs vanlig <strong>materia</strong>)!
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
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 />
<strong>Mörk</strong> <strong>materia</strong><br />
24 %<br />
Vanlig <strong>materia</strong><br />
4 %<br />
Se Rahmans<br />
föredrag<br />
<strong>Mörk</strong> energi<br />
72 %<br />
Den mörka energin driver på expansionen av Universum och gör att<br />
Universum accelererar. <strong>Mörk</strong>a <strong>materia</strong>n bidrar med massa och hjälper till att<br />
bilda strukturer (galaxer med mera).
Egenskaper hos den mörka <strong>materia</strong>n<br />
• Växelverkan:<br />
- √ Gravitation<br />
√ - Svaga kärnkraften<br />
X - Starka kärnkraften<br />
X<br />
- Elektromagnetism
Vad består den mörka <strong>materia</strong>n av?<br />
• Antagligen består den mörka <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.
<strong>Mörk</strong> <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 mörka <strong>materia</strong>n (BBN & CMB)<br />
kan vara en del av den mörka <strong>materia</strong>n<br />
kan bara vara en liten del av den mörka <strong>materia</strong>n<br />
(skulle ge för lite små-skaliga strukturer annars)<br />
kan vara en betydande del av den mörka <strong>materia</strong>n<br />
exempel: neutralino i supersymmetriska modeller<br />
Vår huvudkandidat
Utfrysning av mörk <strong>materia</strong><br />
Tidigt i universum:<br />
Många kollisioner<br />
<strong>Mörk</strong> <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 />
Figur från Jungman, Kamionkowski & Griest<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!
ERIS-simuleringen<br />
• Den mest högupplösta simuleringen av en<br />
galax av vintergatans typ<br />
• Körd på en av NASAs superdatorer (180<br />
CPU-års processortid).<br />
• Innehåller både mörk <strong>materia</strong> och vanlig<br />
<strong>materia</strong><br />
https://webhome.phys.ethz.ch/~jguedes/eris.html
Grå =<br />
gas<br />
Blå =<br />
unga<br />
stjärnor<br />
Röd =<br />
gamla<br />
stjärnor
The Millenium II Simulation
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/
Sloan Digital Sky Survey III<br />
• Data Release 9 (2012) innehåller 540 000<br />
galaxer i en tredimensionell karta upp till 2<br />
miljarder ljusår från oss<br />
För mer <strong>materia</strong>l: http://www.sdss3.org/
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 />
• <strong>Mörk</strong>a stjärnor (dark stars)<br />
• ...<br />
Inom Sverige finns en expertis framförallt inom<br />
indirekta signaler och acceleratorsignaler.<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 som<br />
uppkommer p.g.a. jordens rörelse<br />
runt solen
Residual Rate [cpd/kg/keVee]<br />
0.05<br />
0.04<br />
0.03<br />
0.02<br />
0.01<br />
0.01<br />
0.02<br />
0.03<br />
0.04<br />
0.05<br />
Har vi sett något?<br />
• DAMA/LIBRA i Italien ser en modulation<br />
som har max och min där vi förväntar oss...<br />
0<br />
2–6 keVee<br />
DAMA/NaI DAMA/LIBRA Best-fit<br />
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010<br />
22
• ...men andra experiment som också borde<br />
ha sett denna signal ser den inte<br />
WIMP-nucleon cross section sSI @cm 2 D<br />
10 -39<br />
10 -40<br />
10 -41<br />
10 -42<br />
10 -43<br />
10 -44<br />
10 -45<br />
CDMS Hlow thr .L<br />
Xe -10 Hlow thr .L<br />
Ì<br />
Lim its: 90%<br />
Coun tours: 90%, 3s<br />
DAMA Hq ± 10%L<br />
scattering on Na<br />
CoGeNT H2011L<br />
CRESST<br />
DAMA Hq ± 10%L<br />
scattering on I<br />
10 1 10 2 10 3<br />
WIMP mass m c @GeVD<br />
v0 = 220 km ê s<br />
vesc = 550 km ê s<br />
CDMS-II H2009L<br />
Xe -100 H2012L<br />
Vi kan i dagsläget inte säga att vi har sett<br />
FIG. 7: WIMP mass and SI cross-sections consistent with the anomalies seen by DAMA, CoGeNT,<br />
mörk <strong>materia</strong> i dessa experiment<br />
and CRESST, as well as constraints placed by the null results of CDMS and XENON. The halo<br />
model is assumed to be the SHM with the given parameters. The lack of overlap Figur från between arXiv:1209.3339<br />
the regions<br />
26
Annihilation i galaxens halo<br />
•<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 />
•<br />
•<br />
•<br />
Satellit som<br />
skickades upp av<br />
NASA i juni 2008<br />
Svenska forskare<br />
har varit med och<br />
byggt satelliten<br />
Letar bland annat<br />
efter mörk <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 />
<strong>Mörk</strong> <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 mörka <strong>materia</strong>n! cross sec-<br />
¯<br />
arXiv:1108.3546, Phys. Rev. Lett., 2011
En liten hint om mörk <strong>materia</strong>?<br />
•<br />
•<br />
En analys av Fermi-LAT data från galaxens centrum<br />
visar på en excess runt 135 GeV<br />
Men den är fortfarande inte helt signifikant (och<br />
anel: Target region Reg4 from [2], optimized for large S/N in case of slightly<br />
ght panel: Gamma-ray flux measured within that region by Fermi-LAT. An excess<br />
GeV is clearly visible in the data. We show thefitstothedataintheenergy<br />
see Ref. [2] for details). For direct comparison we show a very hard spectrum<br />
al cut-off (left dotted line; ∼ E−1.3 exp[−(E/20 GeV) 2 instrumentella orsaker är inte helt utredda).<br />
Bekräftelse behövs från andra experiment<br />
])andtheICSemissionfrom<br />
eV electrons at the GC (dashed), both with arbitrarynormalization.<br />
Figur från Weniger, arXiv:1210.3013
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 />
H.E.S.S. II sedan 2012<br />
Cherenkov Telescope Array (CTA)<br />
sedan 2008 (färdigt ~ 2018)<br />
(20 GeV – 100 TeV)<br />
44
Diffusion zone<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Annihilation i galaxens halo<br />
Diffusionszon<br />
Laddade annihilationsprodukter<br />
χχ → ¯p, ¯ D, e +<br />
Diffusion av laddade partiklar på de stokastiska magnetfält<br />
som finns i galaxen..<br />
Pamela (med svenskt deltagande) har t.ex mätt positroner<br />
och antiprotoner.<br />
Pamela ser en excess av positroner, som vi ännu inte vet<br />
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 =<br />
Alpha<br />
Magnetic<br />
Spectrometer<br />
•<br />
Kommer att kunna mäta t.ex. positroner,<br />
antiprotoner och antideutroner mer noggrant och<br />
till högre energier än tidigare. Kanske kan den ge<br />
ledtrådar om den mörka <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
Lathund till Nobelprisfysik<br />
• Sätt upp ett mörk <strong>materia</strong>-experiment<br />
• Se signal av mörk <strong>materia</strong><br />
• Se till att andra bekräftar din<br />
upptäckt!<br />
• Åk till Stockholm och hämta priset och<br />
äran!<br />
Extraordinära påståenden kräver<br />
extraordinära bevis...
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Sammanfattning<br />
Många (indirekta) belägg för den mörka <strong>materia</strong>ns<br />
existens<br />
Vi vill dock ha mer direkta observationer som kan<br />
ge oss ledtrådar om vad den mörka <strong>materia</strong>n är<br />
Många nya experiment har en känslighet för att<br />
kunna testa realistiska modeller, t.ex. flera<br />
direktdetektionsexperiment, Fermi, IceCube, AMS<br />
och så klart LHC (se Rikards föredrag).<br />
Flera experiment ser oväntade signaler. Är det den<br />
mörka <strong>materia</strong>n?<br />
Joakim <strong>Edsjö</strong>: edsjo@fysik.su.se
Referenser<br />
• Bergström, <strong>Edsjö</strong> & Goobar, “Universums mörka baksida”,<br />
Kosmos, 2006<br />
• Mörtsell, “Universums mystiska mörker”, Forskning och<br />
Framsteg Nr 4, 2006:<br />
http://www.fof.se/tidning/2006/4/universums-mystiskamorker<br />
• Webbverktyg för att anpassa rotationskurvor för galaxer:<br />
http://burro.case.edu/JavaLab/RotcurveWeb/<br />
• Det finns också ett flertal appar till iPhone, iPad och<br />
Android för att titta ut i rymden, t.ex.<br />
GoSkyWatch, Pocket Universe for iPhone/iPad och<br />
Google Sky för Android. Även webbaserade verktyg finns.<br />
Joakim <strong>Edsjö</strong>: edsjo@fysik.su.se
Slut...<br />
Joakim <strong>Edsjö</strong><br />
edsjo@fysik.su.se
Change language