Vortrag - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen

Dunkle Materie
Grundlagen & Experimentelle Suche!
Tim Niels Plasa
26.06.2003
SS 2003
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Der Rote Faden




Warum soll dunkle Materie
existieren?
Woraus könnte die dunkle Materie
bestehen?
Einige Experimente und ihre
Ergebnisse
Ausblick für die folgenden Jahre
Tim Niels Plasa
2
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25
Tim Niels Plasa
3
70
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4
0.27
Nicht-baryonische DM
3
Tim Niels Plasa
4
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MASSE (g)
Radius (cm)
Dichte(g/cm-3)
Jupiter
2*1030
6*105
2,3
Sonne
2*1037
7*1010
1,4
Rote Riesen
(2-6)*1034
2*1014
(4,8-14,3)*10-3
Weisser Zwerg 2*1030
1*108
5*108
Neutronenstern 3*1033
1*106
7*1014
glob. Cluster
1,2*1039
1,5*1020
8,5*10-23
offenes Cluster 5*1035
3*1019
4,4*10-24
Spiralgalaxie
2*1044-45
(6-15)*1022
(14-22)*10-26
elliptische Galaxie2*1043-45
(1,5-3)*1023
(0,4-1,8)*10-26
Universum
7,5*1055
1*1028
8*10-29
Kritische Dichte = 3H02/8pG = 11 p/m3
NGC = Neuer galaktischer Katalog
1pc = 3,1*1018cm
1 rad = 57,3°
Tim Niels Plasa
5
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CDM = kalte dunkle Materie
nichtrelativistische Bewegung im Zeitalter der
Galaxienentstehung
HDM = Heiße dunkle Materie
relativistische Bewegung während der
Galaxienentstehung
Tim Niels Plasa
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Warum ist dunkle
Materie notwendig?



Rotationskurven von Galaxien
Messungen des Cobe und WMAPSatelliten (Geometrie des Universums)
Galaxienclusterdynamik
Tim Niels Plasa
7
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COBE & WMAP
7°
Akkurate Messungen
der CBR anisotropen
Erscheinungen
Ωtot
= 1,02 ± 0.02
Ω Λ
= 0.73 ±0.04
1°
Ω M
Tim Niels Plasa
= 0.27 ±0.04
Ω baryonic
= 0.04 ±0.004
Ω non baryonic
= 0.23 ±0.04
8
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Wie kommt man auf die Massenverteilung ?
Kritische Dichte = 3H0/8pG = 11 p/m3
W Sterne = 0,005 - 0,01
Abzählen von Sternen
Nukleosynthese
0,0095< W Bary<0,023
Dunkle Materie in Halos (Rot.kurven) W H>0,1
Relativbewegung der Galaxien
W Ma>0,3
Ausbildung großer Strukturen
W Ma>0,3
Supernova + Hintergrundstrahlung
W tot = 1,02 ± 0,02
Tim Niels Plasa
W L= 0,73 ± 0,04
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Dunkle Materie in Galaxien
- Galaxienbildung in bestimmter Reihenfolge
(top-down Szenario)
- Dunkle Materie in Halos
- Baryonische Materie im Kern und in Scheibe
- Was können wir über die Struktur der Halos sagen?
Tim Niels Plasa
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Scheibengalaxien machen etwa 20 - 30% der Galaxien
aus und eignen sich zum Beobachten der Eigenschaften
der dunklen Halos - es handelt sich um flache Systeme,
deren Rotation gegen die Gravitation gegensteuert.
Tim Niels Plasa
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NGC 4414 -->
Tim Niels Plasa
NGC 891
Eine Spiralengalaxie
<---
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km
/s
kpc
Die Rotationskurven der Spiralgalxien
Meistens rotieren sie nicht gleichmäßig - es gibt eine Varianz der
Rotationskurven abhängig von ihrer Leuchtverteilung.
Dies hier sind zwei Extremfälle:
Links: Typisch für Scheiben geringerer Leuchtkraft
Rechts: Charakteristisch für hohe Leuchtkraft (wie die Milchstraße)
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Was hält die Scheibe im Gleichgewicht ?
Der Hauptanteil der kinetisch Energie ist in der Rotation
In der radialen Richtung sorgt die Gravitation für die radiale
Beschleunigung, die für die fast kreisförmige Bewegung
der Sterne und des Gas verantwortlich ist.
In der vertikalen Richtung gleicht sich die Gravitation mit dem
vertikalen Druckgradienten (der mit der zufälligen Bewegung
der Sterne in der Scheibe zusammenhängt) aus
Tim Niels Plasa
14
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Das radiale Gleichgewicht der Scheiben
Mit der Newtonschen Mechanik kann man die Masse
innerhalb eines bestimmten Radius bestimmen.
wobei M(R) die eingeschlossene Masse im Radius R ist.
Die Form von V(R) kann unterschiedlich sein.
Für große Spiralgalxien wie der unseren, ist V(R)
normalerweise flach, sodass die eingeschlossene
Masse im sichtbaren Bereich M(R)  R^2
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Tim Niels Plasa
16
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Tatsächliche Beobachtungen!
NGC 3198
Distanz: 9,2 Mpc
Scheibenlänge:2,7 kpc
Größter Radius: 30 kpc
Maximale Geschwindigkeit: 157 km/s
M(HI): 4,8 (109Sonnen)
M(tot): 15,4 (1010Sonnen)
M(dunkle M.): 4,1 (1010Sonnen)
M(Halo): 1,9 (1010Sonnen)
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Galaxie im
sichtbaren Bereich
Galaxie im
Radiobereich
Tim Niels Plasa
21cm
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Das erwartete V(R) von Sternen und
Gas fällt unter der beobachteten
Rotationskurven in den äußerenTeilen der Galaxie.
Dies gilt für fast alle Spiralgalaxien
mit den viel zu hohen Rotationskurven!
Wir fassen zusammen, dass die leuchtende Materie die Geschwindigkeit innerhalb eines kleinen Radius dominiert, aber
über diesem Radius erhält das dunkle Halo stark an Einfluss.
Tim Niels Plasa
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Maximale Scheibe
minimales Halo
Minimale Scheibe
maximales Halo
Tim Niels Plasa
20
Begeman 1987
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Für die Zerlegung von NGC 3198 wurde das stellare M/L
Verhältnis als größtmöglich angenommen; ohne Bezug zu
einem hohlen dunklen Halo - dies nennt man eine “maximum disk”
Dark matter
(minimum halo) Zerlegung.
halo
Mehr als 1000 Galaxien sind auf diesem Wege analysiert
worden - die Zerlegung sieht oft so aus wie für
NGC 3198, mit vergleichbaren Peaks für die
Geschwindigkeitsverteilungen von der Scheibe und
dem dunklen Halo.
Es wird angenommen, dass dies schließlich
teilweise auf die adiabatische Kompression des
dunklen Halo durch die Baryonen zurückzuführen ist, wenn Sie sich zusammenziehen, um
die Scheibe zu formen.
Das dunkle Materie
Halo ist notwendig um
die Rotationskurven zu
erklären!
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Galaxie separat - Galaxiecluster
Parameter für dunkle Halos(Dichte, Geschwindigkeitsverteilung, Form...)
Seit etwa 1985 haben die Beobachter Modelle dunkler Halos
entwickelt, denen ein Kern mit konstanter Dichte zugrunde liegt.
Bei den gewöhnlichen Modelle gibt es eine
Isothermale Sphären
mit einem gut definierten Kern-Radius und zentraler Dichte, wobei
  r -2
bei einem weiten Radius
=> dadurch wird V(r) ~ konstant wie beobachtet.
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Isothermale Sphäre
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Es gibt auch die pseudo-isothermale Sphäre
  o {1 + (r / rc ) 2 } -1
Sie sind im Zentrum konstant dicht, mit   r - 2
Benutzt man dieses Modell für den dunklen Halo von großen
Galaxien wie der Milchstraße, so findet man o ~ 0.01 Solarmassen pc -3 und rc ~ 10 kpc
CDM Simulationen produzieren immer wieder Halos, welche
im Zentrum zugespitzt sind. Dieser Sachverhalt ist seit den 80ern
bekannt (Navarro et al 1996 = NFW) bekannt mit der Dichteverteilung:
   (r / rs ) - 1 {1 + (r/rs)} - 2
Diese sind im Zentrum zugespitzt, mit   r - 1
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NFW
Beispiel für etwa 60
leuchtschwache Galaxien
Optische Rotationskurven
teilen uns die Abnahme
der Dichte mit.
NFW Halos haben
 = -1
Flache Kerne haben
=0
Verteilung der inneren Abnahme der Dichte  ~ r  de Blok et al 2002
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Man kann sagen, dass die Dichteverteilung der dunklen Halos
viel über dunkle Materie aussagt.
Zum Beispiel könnte die bewiesene Präsenz von cusps einige
dunkle Materie Partikel ausschließen (z.B. Gondolo 2000).
Vielleicht ist auch die Theorie der CDM falsch.
- mit sich selbst wechselwirkende dunkle Materie könnte ein
flaches Zentrum (r) durch “heat transfer” in die kälteren zentralen
Gebiete ermöglichen. (-->Kernkollaps wie in globularen Sternhaufen)
(siehe Burkert 2000, Dalcanton & Hogan 2000)
Alternative:
Es gibt viele Wege zur Konvertierung von CDM cusps in
zentrale Kerne, sodass wir bisher keine cusps gesehen haben ...
26
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Kandidaten für die dunkle Materie
• Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)
• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs),
Neutrinos & Axionen
• Neue Physik
Tim Niels Plasa
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• Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)
• Geringe (sub- solare) Sternenmasse. Gewöhnliche baryonische
Zusammenstellungen.
• Gebrauch vom Gravitationslinseneffekt zum Studieren.
• Möglicherweise verantwortlich für 25% bis 50% der dunklen Materie
Tim Niels Plasa
28
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Woraus bestehen Machos?
• Braune Zwerge
• Neutronensterne
• Weiße Zwerge
• Planeten
Tim Niels Plasa
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Tim Niels Plasa
30
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Massive Compact Halo Objects –
MACHOs
• Macho ist nicht direkt
zu sehen. Aber es kann
sich zwichen einem
Himmelskörper und uns
bewegen.
• MACHO fungiert dann
als Gravitationslinse!
• Das Licht kommt
verzerrt an, im
Extremfall
als Ring.
Tim Niels Plasa
)
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Zum Gravitationslinseneffekt
Verformung des Hintergrunds durch “unsichtbare”
Materie im Vordergrund
Tim Niels Plasa
Ohne Macho
Mit Macho
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mag=Helligkeit
exponentiell
aufgetragen
Tim Niels Plasa
==>
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Dunkle Materie aus dem Teilchenzoo
• Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs)
• Teilchen, die nicht aus dem Standard Modell kommen
- insbesondere Neutralinos
• Schwere (> 45GeV) neutrinoartige Teilchen von Eichtheorien.
Tim Niels Plasa
34
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Mögliche Erweiterung des
Standard Modells:
Supersymmetrie
Jedes Standard-Modell-Teilchen x hat einen
supersymmetrischen Partner ~
x
z.B.
electron

neutrino

gluon

W boson

selectron
sneutrino
gluino
Wino
Tim Niels Plasa
35
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Zugang zu den neuen
Teilchen?
Hochenergie Strahlen
CMS(LHC),
ATLAS
Kollisionsexperimente
Tim Niels Plasa
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Die MSSM – Parameter
m
M2
mA
tan b
m0
Ab
At
-
Higgsino Massen Parameter
Gaugino Massen Parameter
Masse des CP-odd Higgs bosons
Verhältnis der Higgs Vakuum
Erwartungswerte
- skalarer Massen Parameter
- trilinear coupling, bottom sector
- trilinear coupling, top sector
Parameter
M2
m0 Ab/m0 At/m0
m
tan b mA
Unit GeV
GeV
GeV GeV
1
1

1
0,1
114
-3
-3
Min -50000 -50000
Tim NielsMax
Plasa +50000 +50000
60 10000 3000
3
3
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Neutralino als dunkle
Materie
Nicht Baryonische kalte dunkle Materie Kandidaten
 SUSY WIMPs
Neutralino
( LSP : neutralino )
~
~
~
  a1~  a2 Z  a3 H10  a4 H 20
2
Zg  N11  N12
Kleinste Masse, lineare Superposition von
Photino, Zino, Higgsino
Verschiedene Implementierungen der MSSM führt zu diversen
  N
Tim Niels Plasa
Massenfenster:
60GeV < m < TeV
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2
Annahme  ist im galaktischen Halo präsent!
•  ist sein eigenes Antiteilchen => kann annihilieren und dabei
Gammastrahlung produzieren, Antiprotonen, Positronen….
• Antimaterie wird nicht in großen Mengen durch
_ Standardprozesse
gebildet (sekundäre Produktion durch p + p --> p + X)
• D.h., der zusätzliche Beitrag von exotischen Quellen (  Annihilation)
ist ein interessantes Signal
_
• Produziert durch (eine Möglichkeit)   --> q / g / Gauge Boson / Higgs
Boson und nachfolgenden Zerfall und/oder Hadronisation.
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DM Neutralino Suche
Wir schauen also nach Antiprotonen, Positronen,
Gammastrahlung, die durch WIMP Annihilation entstanden ist.
  WW , ZZ ,   e , p  , d  ,  , ,...
BESS, GLAST, ISS, AMS …
Wir schauen also nach hochenergetischen Neutrinos als
letzte Produkte von WIMP Annihilation in den
Himmelskörpern(Erde, Sonne)
SK, AMANDA, MACRO, …
Wie messen die nuklearen Rückstöße, die durch die
elastische Streuung der WIMPs an den Detektoren
entsteht.
DAMA, CDMS, Edelweiss, CRESST, UKDMC...
Tim Niels Plasa
40
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Signale von WIMPs
Erdbewegung durch das Milchstraßenhalo erzeugt
asymmetrische charakteristische Verteilung der
WIMPs.
Erdorbitalbewegung um die
Sonne (15 km/s)
Jährliche Modulation der WIMP
Wechselwirkungsrate.
Tim Niels Plasa
41
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Tim Niels Plasa
42
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WIMP Dunkle Materie Annihilationen?
Erweiterungen zum Standard Modell der Teilchenphysik geben uns
also gute Kandidaten für galaktische dunkle Materie. Dies wäre dann
Simulated response to 50 GeV side-entering ’s
eine völlig neue Form der Materie.
Wenn das wahr ist, gibt es beobachtbare
Halo Annihilationen in monoenergetische Gammastrahlung.
X
q
Glast-Simulation
oder   oder Z  Linen ?
q
Antiproton oder
Positron-Strukturen?
X
- = Untergrund, - = Untergrund + Signal
Tim Niels Plasa
43
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Positronen Signale von
Neutralinos
Vernichtungsquerschnitt
Positron Quellenfunktion
  (x ) 
1
Qe  (T, x )  ( annv)  
2
 m 
2
B
f
f
dN f
Dichte
dT
nGeschwindigkeit
In die Difffusionsgleichung wird das galaktische Modell einbezogen:

interstellar
(Te  )
e
Die Positronen treffen auf den solaren Wind. Dies wird noch in die
Rechnung mit einbezogen.

Earth
(Te  )
e
Am besten schaut man nach Positronenzerfällen, e+/(e+ + e-) um die
Modulationseffekte zu minimieren.
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Messung der Höhenstrahlung
Tim Niels Plasa
mit
45
AMS
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Der HEAT-ÜBERSCHUSS
_____________________________________________________
Man kann mit Ballons in großer Höhe Positronen
detektieren
Ergebnis: Es gibt mehr Positronen als angenommen
Wimp-Annihilation als partielle mögliche Erklärung
Tim Niels Plasa
46
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Tim Niels Plasa
47
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
Es gibt Versuche den HEAT Überschuss mit
supersymmetrischer dunkler Materie zu erklären:
– Kane, Wang and Wells
Kane, Wang and Wang
   W   W ,   n˜  e  W  , n˜  n˜ W   W , K
– de Boer, Sander, Horn and Kazakov,


    W   W , K
– Baltz, Edsjö, Freese, Gondolo, PRD 65 (2002).
Tim Niels
  Plasa
 W

 W , K
48
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zurersten
erstenSeite
Seite
Zusammenfassung





Mit Standard MSSM und astrophysikalischen Annahmen
sind die Positron-Raten in der Regel zu gering.
HEAT hat eine Stelle bei ~8 GeV, die mit einem Signal
von Neutralinos erklärt werden könnten.
Aber der Peak kann trotzdem nicht völlig erklärt werden,
nicht mal mit einer monochromatischen Quelle von
Positronen.
Hier sind daher weitere Untersuchungen in den nächsten
Jahren notwendig!
Blois: “I wouldn’t bet my life savings on super-symmetric
dark matter
as the explanation of the positron excess...”
49
Tim Niels Plasa
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Neutralinoeinfang und
Annihilation
 
Sonne

Streu
GEinfang
GVernichtung
Silk, Olive and Srednicki, ’85
Gaisser, Steigman & Tilav, ’86
Geschwindigkeitsverteilung
Erde
n WW
nm
n int.
m int.
Detektor
m
Freese, ’86; Krauss, Srednicki & Wilczek, ’86
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Gaisser, Steigman & Tilav, ’86
AMANDA
Tim Niels Plasa
51
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Tim Niels Plasa
52
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Die Zukunft… IceCube

IceCube:
80 strings
60
PMTs/string
Depth: 1.42.4 Km
Tim Niels Plasa
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IceCube Konzept

IceTop
IceTop:
AMANDA
South Pole
Skiway
2 PMTs in a
“pool” at the
top
of each string.
1400 m
3D air-shower
detector
2400 m
Tim Niels Plasa
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Direkte Suche nach Wimps
Benötigt: große Detektormasse, Abschirmung
Tim Niels Plasa
55
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CRESST am Gran Sasso
Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers
Tim Niels Plasa
56
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Tim Niels Plasa
57
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Simulation
CDMS &
EDELWEISS
WW wird als
Temperaturerhöhung
nachgewiesen
Tim Niels Plasa
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Edelweiss
Juni 2002
Ausschließungsgrenzen !
Tim Niels Plasa
59
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Zusammenfassungen



Edelweiss kann das DAMA Signal zu 99.8%
ausschließen.
Der Positronenüberschuss in den HEAT Daten ist
mit Neutralinos schwer zu erklären.
Die Daten von HEAT sind relativ ungenau
Tim Niels Plasa
60
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Neutrinos
3.10 -2 < mn < 2eV
Zunächst aussichtsreichste Kandidaten,
doch Galaxienbildung spricht dagegen
n  600/cm3
Tim Niels Plasa
61
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Um Rotationskurven in Galaxien beschreiben zu können,
müssen Neutrinos ein m > 10 eV haben!
Tim Niels Plasa
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Schlussfolgerung
• Geringer Beitrag, wenn atmosphärische Neutrinomessungen korrekt sind,
mn< 1eV.
• Große galaktische Strukturen sind schwer mit Neutrino dominierter
dunkler Materie in Einklang zu bringen.
Tim Niels Plasa
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AXIONEN
Vorhergesagt von Peccei-Quinn
- hohe Teilchendichte
- geringe Wechselwirkung
- kleine Masse ( < 0,1 eV)
==> schwer nachweisbar
- kein Spin
 +  ´ => a
Nachweis in Magnetfeld über Kopplung an ein
verschränktes Photon, dass sich dann in ein reelles
Photon umwandelt (Primakoff-Effekt)
Tim Niels Plasa
a +  ´ => 
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Tim Niels Plasa
65
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Neue Physik
?
?
?
?
Versuche von Erweiterungen bestimmter Gesetze:
- Gravitation
- Beschleunigung
Tim Niels Plasa
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Tim Niels Plasa
67
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