Nachweismethoden der DM
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Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) PowerPoint PPT Presentation


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Nachweismethoden der DM. Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie). Gravitationslinsen. ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich

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Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

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Presentation Transcript


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Nachweismethoden der DM

Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM

( Elastische Streuung an Kernen)

Indirekter Nachweis der DM

( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von

Licht ändert sich

beim Durchgang durch

ein Gravitationsfeld


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Gravitationslinsen


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter

Blau: dunkle Materie

aus Gravitations-

potential

dunkel

Rot:

sichtbares

Gas

  • Observations with bullet cluster:

  • Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas

  • Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter

  • from weak gravitational lensing

  • Distributions are clearly different after collision->

  • dark matter is weakly interacting!


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Simulation der “Colliding Clusters”

http://www.sciam.com/

August 22, 2006


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Discovery of DM in 1933

Zwicky, Fritz (1898-1974

Zwicky notes in 1933 that outlying galaxies in Coma cluster moving much faster than mass calculated for the visible galaxies would indicate

DM attracts

galaxies with

more force->

higher speed.

But still bound!


Dunkle materie im universum

Dunkle Materie im Universum

Die Rotationskurven von Spiralgalaxien sind weitgehend flach, während die leuchtende Materie eine abfallende Kurve erwarten lässt. Erklärung: dunkle Materie.

Spiralgalaxien bestehen aus einem zentralen Klumpen und einer sehr dünnen Scheibe leuchtender Materie, welche von einem nahezu sphährischen, sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

v=ωr

Milchstraße

Norma

mv2/r=GmM/r2

Scutum Crux

Perseus

Sagittarius

v1/r

Orion

Sun(8 kpc from center)

Cygnus

Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz


Do we have dark matter in our galaxy

Do we have Dark Matter in our Galaxy?

Rotationcurve

Solarsystem

rotation curve

Milky Way

1/r


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Estimate of DM density

DM density falls off like 1/r2 for v=const.

Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”

(for 100 GeV WIMP)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Virialsatz

  • Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt

  • Für N Galaxien also N(N-1)/2 TeilchenpaarenFür N groß:und

Erwarte also für ´Gas` gravitativ

wechselwirkender Teilchen M  r !

Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Kandidaten der DM

?

?

Problem: max. 4% der Gesamtenergie

des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.

Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen

Kandidaten möglich. Rest der DM muss

aus nicht-baryonischen Materie bestehen.

  • Probleme:

  • ν< 0.7% aus WMAP Daten

  • kombiniert mit Dichtekorrelationen

  • der Galaxien.

  • Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft.

  • Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel.

  • WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.

  • In Supersymmetrie sind die WIMPS

  • Supersymmetrische Partner der CMB

  • d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

What is known about Dark Matter?

  • 95% of the energy of the Universe is

  • non-baryonic

  • 23% in the form of Cold Dark Matter

  • Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters

  • of Galaxies but DM widely distributed in halo->

  • DM must consist of weakly interacting and

  • massive particles -> WIMP’s

  • Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s,

  • if thermal relic

From CMB + SN1a + surveys

If it is not dark

It does not matter

DM halo profile of galaxy

cluster from weak lensing


Thermische geschichte der wimps

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f

T<M: M+M->f+f

T=M/22: M decoupled, stable density

(wennAnnihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr)  H(xfr) !)

Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

Comoving number density

WMAP -> h2=0.1130.009 ->

<v>=2.10-26 cm3/s

DM nimmtwiederzu in Galaxien:

1 WIMP/Kaffeetasse105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

Annihilation in leichtere Teilchen, wie

Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

T=M/22

Einzige Annahme: WIMP = thermisches

Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.

x=m/T


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Indirect Dark Matter Searches

Annihilation products from

dark matter annihilation:

Gamma rays

(EGRET, FERMI)

Positrons(PAMELA)

Antiprotons(PAMELA)

e+ + e-

(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)

e-, p drown in cosmic rays?


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Neutralino Annihilation channels


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Neutralino-Quark elastische Streuung

Spin dependent

Spin independent

Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Masse

koppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.

Sehr empfindlich für s-Quark Anteil im Nukleon.

Squark Austausch sehr klein, wenn Squark schwer

Z-Austausch klein, wenn Neutralino hauptsächlich Bino ist

(Bino koppelt nur an elektrische Ladung)

Zusätzlich geringer Impulsübertrag bei Streuung (weit

von Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung

Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Direkter Nachweis von WIMPs

Wir gehen davon aus, dass

DM Neutralino oder WIMP ist.

Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse

(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mit

v  10-3 c und m  100 GeV

Geschwindigkeitsverteilung der WIMPs

in einem Gravitationsfeld folgt wie

bei Gas in der Atmosphäre

Maxwell-Boltzmann-Verteilung  e-Ekin/kT

mit häufigster Wert v=270 km/h

χ

χ

ER ~ Ekin (1 - cos)

Neutralino kann wegen

R-Paritätserhaltung

NUR elastische Streuung

an Kernen durchführen

Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist

koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden

Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p

größer als Kernradius, so es kann einzelne

Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an

den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-

querschnitt  A2 (A= Anzahl der Nukleonen)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Principles of WIMP detection

  • Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector

  • The recoil energy of a nucleus with mass

For

  • This recoil can be detected in some ways :

  • Electric charges released (ionization detector)

  • Flashes of light produced (scintillation detector)

  • Vibrations produced (phonon detector)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Direkter Nachweis von WIMPs

Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt  an einem Kern

kompliziert:

Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant, aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielen Dann wird  abhängig vom Spin S der Kerne im Detektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz der Nukleonen mit Spin up und Spin down.

Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüber Kernradius R ist oder

Kohärenzbedingung q · R « 1

Impulstransfer q = A ·10-3GeV

Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓

R ~ 7 GeV-1· A⅓


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Direkter Nachweis von WIMPs

Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50,

d.h. perfekt für Neutralinomassen von ca. 50 GeV, denn

bei gleicher Kern und WIMP Masse wird q max, weil dann

reduzierte Masse =M· MN /(MN + M) maximal wird.

Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung

wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte

der Massenverteilung)

Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenz

der Streuung  A2 gering und spinabh. Streuung wird wichtig


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Neutralino-Quark elastic scattering

Effective

Lagrangian

scalar interaction

spin-dep. interaction

  • The other terms are velocity-dependent contributions and can be

  • neglected in the non-relativistic limit for the direct detection.

  • The axial vector currents are proportional to spin operators

  • in the non-relativistic limit.


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Direkter Nachweis von WIMPs


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Direct detection event rates

Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Detection challenges


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Background Rejection


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Shielding

Underground +


Direct dark matter detection

Direct Dark Matter Detection

CRESST

ROSEBUD

CUORICINO

Phonons

CRESST II

ROSEBUD

CDMS

EDELWEISS

ER

HDMS

GENIUS

IGEX

MAJORANA

DRIFT (TPC)

DAMA

ZEPLIN I

UKDM NaI

LIBRA

Ionization

Scintillation

XENON

ZEPLIN II,III,IV

Large spread of technologies:

varies the systematic errors, important if positive signal!

All techniques have equally aggressive projections for future performance

But different methods for improving sensitivity

L. Baudis


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

WIMP Searches Worldwide


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Diskutiere nur 4 Beispiele:

Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:

Ionisation und Wärme)

DAMA/Libra (Szintillator)

XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Der Edelweiss Detektor

Messprinzip eines Halbleiter-Bolometers. Kommt es zu einem elastischen Stoß eines WIMP-Teilchens mit einem Atomkern des Germanium-Kristalls führt der Kern-Rückstoß zu einer Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird.


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Schnelle (großflächige)

Auslese

von Phononen

Si

oder

Ge

Einkristall

Array von

Phasenübergangs-

Thermometern


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Kalibration

Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer 252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve) entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder beschreiben die Bereiche, in denen 90% der Elektron- bzw. Kern-Rückstöße liegen.


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Edelweiss Experiment


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

CDMS detectors


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Ionization measurement in CDMS


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Phonon measurement in CDMS

SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis 10-14T !)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Fiducial Volume removes edges


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

XENON

-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)

gute Selbstabschirmung

-hohe Dichte

kompakte Detektoren

-hohe Massenzahl

-Betriebstemperatur „leicht“ zu halten (180 K)

-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie

-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Noble liquids


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Ionization and Scintillation in Xe


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Double Phase Detector Concept


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

The XENON10 Experiment (10 kg)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Cross section limits


Annual modulation as unique signature

galactic center

Dec.

v0

Sun 230 km/s

June

WIMP Signal

±2%

Background

June

Dec

June

Dec

June

Dec

June

Annual Modulation as unique signature?

Annual modulation:   v, so signal in June larger than

in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).

L. Baudis, CAPP2003


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Datenbis 2008

Modulation nur in 2-6 keV

Region -> leichte WIMPs

(Signal sehr nah an der

Schwelle des Detektors!!)


Gravitationslinsen rotationskurven direkter nachweis der dm elastische streuung an kernen

Zusammenfassung

a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache

Rotationskurvenund Gravitationslinsen

b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einem

Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch

höhere Emfindlichkeit.

c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA

(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)


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