VL13+14_DM
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VL 13: Dunkle Materie, was ist das?
We don’t know it,
because we don’t 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, A&A, 444 (2005) 51
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
1
Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Indirekter Nachweis der DM
( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Direkter Nachweis der DM
( Elastische Streuung an Kernen)
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
2
Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von
Licht ändert sich
beim Durchgang durch
ein Gravitationsfeld
6+13 Feb, 2009
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3
Gravitationslinsen
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
4
Gravitationslinsen
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
5
Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
Blau: dunkle Materie
aus Gravitationspotential
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!
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
6
Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
7
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
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
DM attracts
galaxies with
more force->
higher speed.
But still bound!
8
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.
6+13
Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09,
W. de Boer
9
Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr
Milchstraße
Norma
mv2/r=GmM/r2
Scutum Crux
Perseus
v1/r
Sagittarius
Orion
Sun (8 kpc from center
Cygnus
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
10
Do we have Dark Matter in our Galaxy?
Rotationcurve
Solarsystem
1/r
6+13 Feb, 2009
rotation curve
Milky Way
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
11
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)
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
12
Virialsatz
• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im
mechanischen Gleichgewicht gilt
2 EKin EPot 0
• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
2
m
N
(
N
1
)
N m v2 G
0
2
r
Für N groß:
N 1 N
und
m2 m
2
N m M
2 r v2
G
Erwarte also für ´Gas` gravitativ
wechselwirkender Teilchen M r !
Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
13
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.
6+13 Feb, 2009
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).
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
14
What is known about Dark Matter?
From CMB + SN1a + surveys
•
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
•
If it is not dark
It does not matter
Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s,
if thermal relic
DM halo profile of galaxy
cluster from weak lensing
6+13 Feb, 2009
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15
Fundamental questions of modern physics
Cosmology
Particle physics
What is the origin of mass?
Why forces different strength?
Why hydrogen atom neutral?
What is Dark Matter?
What is Dark Energy?
Why no antimatter?
How did galaxies form?
Magic solution: SUPERSYMMETRY
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
16
Motivation of SUSY in Particle Physics
1.
2.
3.
4.
5.
Unification with Gravity
Unification of gauge couplings
Solution of the hierarchy problem
Higgs mechanism by radiative corrections
No quadratic divergencies,
i.e. theory valid to high energies
6.Dark matter in the Universe
7.Superstrings
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
17
What is SUSY?
Supersymmetry is a Boson-Fermion symmetry, which
allows to unify all forces
of nature (including gravity).
SUSY can exist in nature ONLY, if there are as many
bosons as fermions Doubling the particle spectrum
(Waw, Eldorado for experimental particle physicists)
Q | boson | fermion
Q | fermion | boson
spin 2 spin 3/2 spin 1 spin 1/2 spin 0
j
{Qi , Q } 2 ij ( ) P { , } 2( ) P
( x) local coordinate transformation.
6+13 Feb, 2009
Local translation =
general relativity !
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18
We like elegant solutions
6+13 Feb, 2009
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19
Supersymmetrie
Symmetrie zwischen
Fermionen Bosonen
(Materie)
(Kraftteilchen)
Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !
6+13 Feb, 2009
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20
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Comoving number density
Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995
Actual abundance
WMAP -> h2=0.1130.009 ->
<v>=2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien:
1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>.
DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!
T=M/22
x=m/T
6+13 Feb, 2009
T>>M:
f+f->M+M; M+M->f+f
T<M:
M+M->f+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(wenn Annihilationrate Expansionsrate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
Einzige Annahme: WIMP = thermisches
Relikt, d.h. im thermischen Bad des
frühen Universums erzeugt.
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
21
DM Annihilation in Supersymmetrie
f
~
f
f
f
W
A
f
f
Z
f
≈37
gammas
Z
0
W
Z
Dominant
+ A b bbar quark pair
B-Fragmentation bekannt!
Daher Spektren der Positronen,
Gammas und Antiprotonen bekannt!
Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik
6+13 Feb, 2009
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22
Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY
f
~
f
f
f
W
A
f
f
Z
Z
0
W
Z
Egret: WIMP 50-100 GeV
WMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s
6+13 Feb, 2009
f
Spin
½ Teilchen leicht(0.1 TeV)
Spin 0 Teilchen schwer (TeV)
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23
Dunkle Materie, was ist das?
• Was wissen wir über Dunkle Materie?
From CMB + SN1a
massive Teilchen
23% der Energie des Universums
schwache Wechselwirkung mit Materie
Annihilation mit <σv>=2.10-26 cm3/s
• Annihilation in Quarkpaare ->
Überschuss in galaktischen Gammastrahlen
Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit)
• WIMP Masse 50-100 GeV aus Spektrum
• Verteilung der Dunklen Materie
• Data konsistent mit Supersymmetrie
6+13 Feb, 2009
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24
Probleme die durch DM
Annihilation gelöst werden
Astronomie
Rotationskurve
Ringförmiger Struktur
von Sternen bei 14 kpc
Ringförmiger Struktur
von Wasserstoff bei
4 kpc
Astroteilchenphysik
Kosmische Strahlung
(Gammastrahlen)
Kosmologie
23%DM, Hubble
Annihilation
Strukturformation
Teilchenphysik
Spektren der Gammastrahlung für Untergrund
und DMA
Big Bang
6+13 Feb, 2009
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25
Usual astrophysicist’s search strategies
Particle physicist: get rid of model
dependence by DATA DRIVEN calibration
6+13 Feb, 2009
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26
Basic principle for indirect dark matter searches
From rotation curve:
Sun
R
bulge
disc
disc
Expect highest DM density
IN CENTRE OF GALAXY
R1
Sun
Forces: mv2/r=GmM/r2
or M/r=const.for v=cons.
and
(M/r)/r2
1/r2
for flat rotation curve
IF FLUX AND SHAPE MEASURED IN
ONE DIRECTION, THEN FLUX AND
SHAPE FIXED IN ALL (=180) SKY
DIRECTIONS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
THIS IS AN INCREDIBLE CONSTRAINT, LIKE SAYING I VERIFY
THE EXCESS AND WIMP MASS WITH 180 INDEPENDENT MEAS.
6+13 Feb, 2009
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27
EGRET on CGRO (Compton Gamma Ray Observ.)
Data publicly available from NASA archive
EGRET excess
Hunter et al. 1997
Instrumental parameters:
Energy range: 0.02-30 GeV
Energy resolution: ~20%
Effective area: 1500 cm2
Angular resol.: <0.50
Data taking: 1991-1994
Main results:
Catalogue of point sources
Excess in diffuse gamma rays
6+13 Feb, 2009
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28
Woher erwartet
man Untergrund?
Quarks
from
WIMPS
Quarks
in protons
Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X -> + X
inverse Compton scattering (e-+ -> e- + )
Bremsstrahlung (e- + N -> e- + + N)
Shape of background KNOWN if Cosmic Ray spectra of p and e- known
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
29
Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten
Background + DMA signal describe EGRET data!
50 GeV
PS
IM
0
IC
s.
Blue: background uncertainty
s.
em
Br
IC
em
Br
IC
W
IM
0
PS
W
70
Blue: WIMP mass uncertainty
W. de Boer et al., 2005
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
30
Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen
A: inner Galaxy
B: outer disc
C: outer Galaxy
Total 2 for all regions :28/36 Prob.= 0.8 Excess above background > 10σ.
E: intermediate lat.
D: low latitude
A: inner Galaxy (l=±300, |b|<50)
B: Galactic plane avoiding A
C: Outer Galaxy
6+13 Feb, 2009
F: galactic poles
D: low latitude (10-200)
E: intermediate lat. (20-600)
F: Galactic poles (60-900)
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
31
Fits für 180 statt 6 Regionen
180 regions:
80 in longitude 45 bins
4 bins in latitude 00<|b|<50
50<|b|<100
100<|b|<200
200<|b|<900
4x45=180 bins
bulge
disk
sun
6+13 Feb, 2009
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32
Halo density on scale of 300 kpc
(from normalization factors in 180 sky directions)
Sideview
Topview
Cored isothermal profile with scale 4 kpc
Total mass: O(1012) solar masses
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
33
Halo density on scale of 30 kpc
Sideview
Topview
Enhancement of inner (outer) ring
over 1/r2 profile 6 (8).
Mass in rings 0.3 (3)% of total DM
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
34
The Milky Way and its 13 satellite galaxies
Canis Major
Tidal force ΔFG 1/r3
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
35
Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
CM
Sun
Sgt
From David Law, Caltech
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
36
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.html
6+13 Feb, 2009
Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of
gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible),
10Kosmologie
VL
WS08/09, W. de Boer
dark matter (10
M☉, EGRET)
37
Core of Canis Major Dwarf
just below Galactic disc
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
38
Tidal disruption of Sagittarius
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )
http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
39
N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
Observed stars
R=13 kpc,φ=-200,ε=0.8
prograde
6+13 Feb, 2009
Canis Major (b=-150)
retrograde
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
40
EGRET Excess predicts shape of rotation curve!
Sofue &Honma
v
Rotation Curve
Inner
rotation
curve
Outer RC
R0=7.0
Black hole at centre:
R0=8.00.4 kpc
disk
R/R0
Note 1: Absolute value of rotation
curve depends on distances.
But chance of slope can ONLY
be explained by ringlike structure.
bulge
Inner Ring
Outer Ring
Normalize to solar velocity of 220 km/s
6+13 Feb, 2009
R0=8.3
kpc
Note 2: fact that shape of DM halo
can describe shape of RC implies
that EGRET excess has exactly right
intensity to deliver grav. potential!
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
41
Gas flaring in the Milky Way
P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud,
http://arxiv.org/abs/0704.3925
no ring
with ring
Gas flaring needs EGRET ring with mass of 2.1010M☉!
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
42
Inner Ring coincides with ring of dust and H2 ->
gravitational potential well!
H2
Enhancement of inner (outer) ring
over 1/r2 profile 6 (8).
Mass in rings 0.3 (3)% of total DM
6+13 Feb, 2009
4 kpc coincides with ring of
neutral hydrogen molecules!
H+H->H2 in presence of dust->
grav. potential well at 4-5 kpc.
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
43
What about
Supersymmetry?
Assume mSUGRA
5 parameters: m0, m1/2, tanb, A, sign μ
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
44
Expected SUSY mass spectra in mSUGRA
mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
45
Gauge unification perfect with SUSY spectrum from EGRET
Update from Amaldi, dB,
Fürstenau, PLB 260 1991
SM
SUSY
NO FREE
PARAMETER
WdB, C. Sander,PLB585(2004).
e-Print: hep-ph/0307049
With SUSY spectrum from EGRET + WMAP data and start values
of couplings from final LEP data perfect gauge coupling unification!
Also b->s and g-2 agree within 2σ with SUSY spectrum from EGRET
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
46
Direct Detection of WIMPs
WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoils
Measure recoil energy spectrum in target
0
Spin dependent and indep.
Spin independent
Number of nuclei2
(coherent scattering on all nuclei!)
0
6+13 Feb, 2009
Spin dependent
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
47
Direct Dark Matter Detection
CRESST
ROSEBUD
CUORICINO
Phonons
CRESST II
ROSEBUD
CDMS
EDELWEISS
HDMS
GENIUS
IGEX
MAJORANA
DRIFT (TPC)
ER
Ionization
Scintillation
DAMA
ZEPLIN I
UKDM NaI
LIBRA
XENON
ZEPLIN II,III,IV
Large spread of technologies:
L. Baudis, CAPP2003
varies the systematic errors, important if positive signal!
All techniques have equally aggressive projections for future performance
But different methods for improving sensitivity
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
48
Der Edelweiss Detektor
Wärmesignal
Thermometer
Ge-Kern
WIMP
Elektroden zur
Ladungssammlung
WIMP
Ge Kristall
bei T= 0,017 K
Ladungssignal
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.
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
49
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Si
oder
Ge
Einkristall
Schnelle (großflächige)
Auslese
von Phononen
Array von
PhasenübergangsThermometern
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
50
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.
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
51
Edelweiss Experiment
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
52
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS
Si
oder
Ge
Einkristall
Schnelle (großflächige)
Auslese
von Phononen
Array von
PhasenübergangsThermometern
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
53
Comparison with direct searches
Note: N90%CL=n <90%CLv>
To get 90%CL one has to assume
v and n :
v assume Maxwellian
and NO corotation of DM halo
n : assume DM mass from
rotation curve to be
completely diffuse.
Theory: x-section can be
order of magnitude lower due
to matrix element uncertainties
Conclusion: can easily move up
exp. limits by order of magn.
and move down theory by order
of magnitude.
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
54
Large uncertainties in direct scattering x-section
Ellis, Olive, Savage, arXiv:0801.3656
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
55
Clustering of DM
Diemand et al., Nature 2005,
astro-ph/0501589:
The earth passes through a
dark matter mini-halo every
10,000 years, an encounter
which lasts for about 50
years, therefore most of the
time the earth is within an
UNDERDENSE region of dark
matter.
An artist picture of what we should
see if our eyes were sensitive to 3
GeV gamma rays and we are flying
with 220 km/s (=speed of sun) through
the DM halo
6+13 Feb, 2009
Consequently the averaged
DM density on a large scale
(from the rotation curve) has
very little to do with the
LOCAL DM density!
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
56
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)
galactic center
Dec.
v0
June
125
103
WIMP Signal
75
101
±2%
50
Background
25
-0.5
-0.1
Dec
6+13 Feb, 2009
L. Baudis, CAPP2003
105
100
0
Sun 230 km/s
0.3
0.7
June Dec
1.1
99
97
1.5
June
95
-0.5
Dec
-0.1
0.3
0.7
June Dec
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
1.1
1.5
June
57
DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73
Schael, EPS2003
A cos t t0
with t 0 =152.5, T=1.00 y
•
•
•
DAMA NaI-1 to 4:
58k kg.day
DAMA NaI-5 to 7:
50k kg.day
Full substitution of electronics and DAQ
in 2000
The data favor the presence of
a modulated signal with the
proper features at the 6.3 σ C.L.
Running conditions stable at level < 1%
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
58
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)
Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->
EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!
Äusserer Ring bestätigt durch Gasflaring.
Resultate 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.
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
59
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.
LHC Experimente werden ab 2010 klären ob dies stimmt.
6+13 Feb, 2009
VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer
60
Fragen
1. „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.
2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus
WMAP-Messungen) mν < 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.
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61
Fragen
3.
A:
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 CMBPolarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige
Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?
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 η 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-L=konstant. 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).
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5.
Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense
Fragen
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 τP 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 = τP 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).
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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
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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 (λS) 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. T<mν als 1/S3 (wie Teilchen).
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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 1953+x 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.
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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?
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