Folie%201

1
VL 13 Dunkle Materie, was ist das?
We dont know it, because we dont see it!
WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D.
Kazakov, EGRET excess of diffuse Galactic Gamma
Rays as Tracer of DM, astro-ph/0508617, AA, 444
(2005) 51
2
Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen Rotationskurven Indirekter
Nachweis der DM ( Annihilation der DM in
Materie-Antimaterie) Direkter Nachweis der DM
( Elastische Streuung an Kernen)
3
Gravitationslinsen
ART Die Ausbreitung von Licht ändert
sich beim Durchgang durch ein
Gravitationsfeld
4
Gravitationslinsen
5
Gravitationslinsen
6
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-gt
• dark matter is weakly interacting!

7
Simulation der Colliding Clusters
8
Discovery of DM in 1933 Zwicky, Fritz (1898-1974
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope Dubinski
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-gt higher
speed. But still bound!
9
Do we have Dark Matter in our Galaxy?
Rotationcurve Solarsystem
rotation curve Milky Way
?1/?r
10
Estimate of DM density
DM density falls off like 1/r2 for vconst.
Averaged DM density 1 WIMP/coffee cup
(for 100 GeV WIMP)
11
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-gt
• DM must consist of weakly interacting and
• massive particles -gt WIMPs
• Annihilation with ltsvgt2.10-26 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
12
Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
13
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 -gt flat rot. curve
14
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
• ?? lt 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).

15
Supersymmetrie
Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !
16
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
Comoving number density
WMAP -gt ?h20.113?0.009 -gt
lt?vgt2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien ?1
WIMP/Kaffeetasse ?105 lt?gt. DMA (??2) fängt wieder
an.
Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995
Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks
und Leptonen -gt ?0s -gt Gammas!
TM/22
Einzige Annahme WIMP thermisches Relikt, d.h.
im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.
xm/T
17
DM Annihilation in Supersymmetrie
37 gammas
B-Fragmentation bekannt! Daher Spektren der
Positronen, Gammas und Antiprotonen bekannt!
Dominant ? ? ? A ? b bbar quark pair
Galaxie Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik
18
Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY
Z
A
Egret WIMP 50-100 GeV WMAP ltsvgt2.10-26 cm3/s
Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen
schwer (TeV)
?
19
Dunkle Materie, was ist das?

• Was wissen wir über Dunkle Materie?
• massive Teilchen
• 23 der Energie des Universums
• schwache Wechselwirkung mit Materie
• Annihilation mit ltsvgt2.10-26 cm3/s
• Annihilation in Quarkpaare -gt
• Überschuss in galaktischen Gammastrahlen
• Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit)
• WIMP Masse 50-100 GeV aus Spektrum
• Verteilung der Dunklen Materie
• Data konsistent mit Supersymmetrie

From CMB SN1a
20
Probleme die durch DM Annihilation gelöst werden
Rotationskurve Ringförmiger Struktur von Sternen
bei 14 kpc Ringförmiger Struktur von Wasserstoff
bei 4 kpc
Astronomie
Astroteilchenphysik
Kosmische Strahlung (Gammastrahlen)
23DM, Hubble Annihilation Strukturformation
Kosmologie
Teilchenphysik
Spektren der Gamma- strahlung für Untergrund und
DMA
Big Bang
21
Woher erwartet man Untergrund?
Background from nuclear interactions (mainly
pp-gt p0 X -gt ? X inverse
Compton scattering (e- ? -gt e- ?)
Bremsstrahlung (e- N -gt e- ?
N) Shape of background KNOWN if Cosmic Ray
spectra of p and e- known
22
Untergrund DM Annihilation beschreiben Daten
W. de Boer et al., 2005
23
Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen
C outer Galaxy
A inner Galaxy
B outer disc
Total ?2 for all regions 28/36 ? Prob. 0.8
Excess above background gt 10s.
E intermediate lat.
F galactic poles
D low latitude
A inner Galaxy (l300, blt50) B Galactic
plane avoiding A C Outer Galaxy
D low latitude (10-200) E intermediate lat.
(20-600) F Galactic poles (60-900)
24
Fits für 180 statt 6 Regionen
180 regions 80 in longitude ? 45 bins 4 bins in
latitude ? 00ltblt50 50ltblt100
100ltblt200 200ltblt900 ? 4x45180 bins
25
Verteilung der DM
v2?M/rcons. and ??(M/r)/r2 ??1/r2 for
const. rotation curve Divergent
for r0? NFW?1/r Isotherm const.
Halo profile
26
Rotationskurve der Milchstrasse
Honma Sofue (97) Schneider Terzian (83) Brand
Blitz(93)
27
Wie sehen Rotationskurven anderer Galaxien aus?
Sofue Honma
28
Woher kommen die Ringe der DM?
Einfall einer Zwerggalaxie in Gravitationspotentia
l einer Galaxie elliptischer Bahn
präzessiert! Gezeitenkräfte ? Gradient der
Gravitationskraft ? 1/r3 ! Daher wird
Zwerggalaxie seine Materie zum größten Teil am
Perizentrum verlieren -gt ringförmige Strukturen
von Gas, Sternen und Dunkler Materie.
Dies wurde tatsächlich beobachtet bei 14
kpc 1)Wasserstoffring längst bekannt 2) Ring
alter, kaum sichtbarer Sterne entdeckt mit Sloan
Digital Sky Survey in 2003 (109 M?!) 3)
Verstärkte Gamma Strahlung bei 14 kpc schon in
1997, Dass dies Spektrum der DMA entspricht, erst
jetzt!
29
The local group of galaxies
30
The Milky Way and its 13 satellite galaxies
Tidal force ? ?FG ? 1/r3
31
Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
Sun
CM
Sgt
From David Law, Caltech
32
Artistic view of Canis Major Dwarf just below
Galactic disc
33
Canis Major Dwarf orbits from N-body
simulations to fit visible ring of stars at 13
and 18 kpc
Movie from Nicolas Martin, Rodrigo
Ibata http//astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.h
tml
Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of
gas(106 M? from 21 cm line), stars (108 M?
,visible), dark matter (1010 M?, EGRET)
34
Tidal disruption of Sagittarius
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University
) http//astsun.astro.virginia.edu/mfs4n/sgr/
35
N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
R13 kpc,f-200,e0.8
Observed stars
Canis Major (b-150)
prograde
retrograde
36
Gas flaring in the Milky Way
Gas flaring needs EGRET ring with mass of
2.1010M?!
37
Inner Ring coincides with ring of dust and H2 -gt
gravitational potential well!
4 kpc coincides with ring of neutral hydrogen
molecules! HH-gtH2 in presence of dust-gt grav.
potential well at 4-5 kpc.
Enhancement of inner (outer) ring over 1/r2
profile 6 (8). Mass in rings 0.3 (3) of total DM
38
Direct Detection of WIMPs
WIMPs elastically scatter off nuclei gt nuclear
recoils Measure recoil energy spectrum in target
?0
Spin dependent and indep.
Spin independent ? Number of nuclei2 (coherent
scattering on all nuclei!)
?0
Spin dependent
39
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, CAPP2003
40
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.
41
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Schnelle (großflächige) Auslese von Phononen
Si oder Ge Einkristall
Array von Phasenübergangs- Thermometern
42
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.
43
Edelweiss Experiment
44
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS
Schnelle (großflächige) Auslese von Phononen
Si oder Ge Einkristall
Array von Phasenübergangs- Thermometern
45
Annihilation cross sectionsin m0-m1/2 plane (µ gt
0, A00)
Annihilation cross sections can be calculated,if
masses are known (couplings as in SM). Assume not
only gauge coupling Unification at GUT scale,
but also mass unification, i.e. all Spin 0 (spin
1/2) particles have masses m0 (m1/2). For WMAP
x-section of lt?vgt?2.10-26 cm3/s one needs For
small LSP mass (m1/2 175 GeV) large values of
(m0 1-2 Tev) (and large tan ß 50)
10-24
EGRET WMAP
??
WW
mSUGRA common masses m0 and m1/2 for spin 0 and
spin ½ particles
46
Cross sections for Direct DM detection
47
Cross sections for Direct DM detection
48
SUSY Mass Spectrum predicted for LHC
49
Cross sections for Direct DM detection
Direct DM searches did not find signals, implying
that the elastic scattering cross sections
of neutralinos on nuclei must be below 2. 10-7pb
2.10-43 cm2 These are still just above
the neutralino cross sections predicted by SUSY
in the EGRET scenario. So hopefully DM searches
will see something soon and LHC hopefully
discovers light gauginos and heavy squarks and
sleptons (around TeV scale).
50
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
51
DAMA/NaI 1 to 7 Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73
Schael, EPS2003

• DAMA NaI-1 to 4 58k kg.day
• DAMA NaI-5 to 7 50k kg.day
• Full substitution of electronics and DAQin 2000

The data favor the presence of a modulated
signal with the proper features at the 6.3 s C.L.
Running conditions stable at level lt 1
52
Zusammenfassung
EGRET Überschuss kann 1) Haloprofil
bestimmen 2) damit äussere Rotationskurve
erklären. (hier gibt es kaum baryonische
Materie) 3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV)
4) Statistische Signifikanz gt 10 s!
Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA
Daten-gt EGRET Überschuss Tracer der Dunklen
Materie!
Resultat praktisch modellunabhängig, denn nur
bekannte spektrale Formen des Signals und
Untergrundes benutzt, keine modellabhängige
Flussberechnungen!
Modelle OHNE DM können nicht Spektren in
ALLEN Richtungen gut bestimmen und liefern keine
Erklärung für Rotationskurve und Stabilität der
Ringe bei 4 und 14 kpc.
53
Zukunft
Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit
SUPERSYMMETRIE?
Antwort Ja, wenn die Squarks and Sleptonen im
Bereich 1-2 TeV liegen. Der WIMP
hat dann Eigenschaften ähnlich eines
Spin ½ Photons, d.h.
DM wäre der SUSY Partner der CMB
LHC Experimente werden ab 2008 klären ob dies
stimmt.
54
Fragen

• The dark ages Vom Begriff her entsteht der
  Eindruck, dass mit der Rekombination das
  Universum quasi schlagartig dunkel wurde.
  Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze
  Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t
  380.000 yr (Rekombination) mit T 3.000 K
  (weißglühend) bis zur Rotglut (T 750 K) bei t
  4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung
  erfüllt. Allerdings dauerte es dann 200 Myr,
  bis die ersten Sterne leuchteten.
• Neutrinomasse Die durchschnittliche
  Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-Messungen) m? lt
  0.23 eV. Da Elektronneutrinos vermutlich die
  geringste Neutrinomasse besitzen, müsste deren
  Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im
  Großexperiment KATRIN soll die Masse der
  Elektronneutrinos bzw. deren Obergrenze bestimmt
  werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei
  0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der
  WMAP-Daten korrekt ist, wäre damit KATRIN
  überflüssig, oder?
• A eine unabhängige Bestätigung, dass die
  Neutrinomassen tatsächlich so klein sind, ist
  immer gut.

55
Fragen

• Polarisation der CMB Die Polarisation setzt m.
  E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen
  Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt
  haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt
  waren, da ansonsten die CMB-Polarisation random
  sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige
  Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?
• A Die relative Bewegung der Photonen besitzt
  durch die CMB Anisotropie (vor allem
  Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung
  gegenüber Elektronen, wodurch eine Polarization
  entsteht.
• 4. Annihilation von Materie/Antimaterie Protonen
  und Antiprotonen wurden bis auf wenige 10-10
  durch Annihilation in Photonen umgewandelt.
  Derselbe Prozess hat für Elektronen und
  Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass
  offenbar exakt der identische winzige Anteil ? an
  Elektronen übriggeblieben ist, wie der der
  Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht
  elektrisch neutral. Woher kommt die identische
  Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren
  Antiteilchen? (Klar Im Urknall war das Universum
  auch elektrisch neutral, aber warum ist die
  Asymmetrie identisch?)
• A Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie
  gibt, d.h. B-Lkonstant. Hier ist B die
  Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie
  erzeugt oder vernichtet immer gleich viele
  Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten
  Wechselwirkungen erhalten (und von den
  einfachsten GUT's vorhergesagt).

56
5. Der Urknall Vor der inflationären Phase war
auf kleinstem Raum immense Energie ( Masse)
konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser
Masse war jedoch wesentlich größer als die
Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel
Bereits für m 10 µg ist der Schwarzschildradius
rc Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei
einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie
bei tP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen
dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht
nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich
im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des
Urknalls entstanden (Umwandlung falsches Vakuum
in Energie?). Dann müsste lokal die
Massenkonzentration immer kleiner als die
kritische Schwarzschild-Masse gewesen sein,
d.h. bereits zur Zeit der Quantenfluktuationen
dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel
nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen
gestanden haben. Die daraus resultierenden
Irregularitäten wurden dann eingefroren und
sind heute in der CMB nachweisbar. Oder aber,
ganz einfach Die gesamte Masse des Universums
war bei t tP in einem Raumbereich lP
konzentriert, der Schwarzschildradius dieser
Masse entsprach aber bereits seiner heutigen
Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem
Schwarzen Loch ab. Aber dann Woher kommt diese
Masse? A gute Frage. Universum so groß wegen
Inflation, die nach einer Symmetriebrechung
entstand, z.B. die Brechung einer GUT Symmetrie
in die bekannten Kraefte. Bei der
Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die
Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft
ausschalten, aber gleichzeitig durch die
Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die
freiwerdende Energie in Masse umwandeln. D.h. vor
der Inflation war noch keine Masse vorhanden und
Gesamtenergie null. Es ist jedoch nicht
ausgeschlossen, dass Urknall in einem SL
stattfand (siehe nächste Folie).
Fragen
57
Größe und Dichte eines schwarzen Loches.
Radius eines SL R 2GM/c2, d.h. wächst mit
Masse! Masse unseres Universums, die kritische
Dichte von 10-29 g/cm3 (1023 M)
entspricht, liegt auf diese Linie, d.h. es ist
nicht ausgeschlossen, dass wir in einem SL leben.
J. Luminet
58
Fragen
6. Kosmische Zeitskala Eine Zeitskala ist
abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in
dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird.
Aufgrund der extremen Massenkonzentration im
frühen Universum müsste für große z eine andere
(verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder
könnte eine solche Zeitdilatation lediglich ein
äußerer Beobachter feststellen? (den es
natürlich grundsätzlich nicht geben kann.) A
die unterschiedlichen Zeitskalen können nur
gemessen werden von zwei Beobachtern, die
Frequenzen von Gammastrahlen miteinander
vergleichen. Daher praktisch schwierig.
7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung
Die Energie der Photonen aus der LSS skaliert mit
1/S (??S)?? Da Neutrinos Ruhmasse besitzen,
müsste deren gesamte Energie bei der Entkopplung
nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 3.5 MeV).
Die Neutrinos müssten dann kinetische Energie
verlieren, also mit der Zeit langsamer werden.
Wird diese Energie dem Raum übertragen
(Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der
Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier
quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen
der Neutrinoenergie eine Frequenz zuordnen, die
S abnimmt? A relativistische Materie geht mit
1/S4, nicht relativistische mit 1/S3. Daher
werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind,
erst mit 1/S4 skalieren /wie Photonen) und bei
Temp. Tltm? als 1/S3 (wie Teilchen).

59
Deep questions (siehe Creation von Berry Parker)
Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?
Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert. Im
Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums
null und Vakuumenergie könnte zur Inflation
führen Schwierig zu beweisen, vor allem weil
Quantumgravitation noch nicht existiert.
Wie entstand Leben? 1860 Franz. Akademie vergibt
Preis für Beweis, dass Leben aus Nicht-Leben
entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass
dies unmöglich ist. Wurde akzeptiert bis in 1924
Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohlenstoff
gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b)
dass Lichtblitze in einer reduzierenden
Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische
Moleküle erzeugen können! Sauerstoff
tatsächlich später entstanden durch Algen im
Ozean, wo sie für UV Licht geschützt waren. O2
stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch
Leben außerhalb der Ozeane entstehen konnte.
Nachweis in 1953x bei Miller, dass in so einer
Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen
können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DNA
entstehen können und damit dass die Bausteine des
Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.
60
Typische Prüfungsfragen
Was sind die exp. Grundpfeiler der
Urknalltheorie? Wie ist Zeitentwicklung,
Temperaturentw. ? Wie lauten Friedmansche
Gleichungen?
Woraus besteht die Energie des Universums? Wie
weiss man das? Wie unterscheidet sich Dunkle
Energie von Dunkler Materie? Wie kann man DM
nachweisen? Warum akustische Peaks in der
CMB? Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen
Peaks?