Evidenz dunkler Materie

Evidenz für dunkler Materie
Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik
Christian Pabst
Inhaltsverzeichnis
1.
2.
3.
Phänomene
Rotationskurven von Spiralgalaxien
Bewegung in Galaxiehaufen
Heißes Gas in Galaxie Clustern
Effekte durch Gravitationslinsen
CMB
Erklärung der DM
Baryonische Materie (MACHO)
Heiße Dunkle Materie (HDM)
• Neutrinos
Kalte Dunkle Materie (CDM)
• WIMPs (LSP, primordiale BH)
• Axionen
MOND (Modified Newton Dynamics)
Zusammenfassung
Rotationskurven von Spiralgalaxien
Fehlende Masse
Aus Stabilität der
Planetenbahnen
FZ  FG
mv²
mM
G
r
r²
v r 1 2
Aus Messungen
v(r) = konst.
Rotationskurven von Spiralgalaxien
=> Halo mit
(r)  r 2
HALO
HALO ca. 90% der Galaxie
Galaxienhaufen
Bewegung in Galaxienhaufen
Virialsatz
1 G  M
1 2 1
 2Mv  2 EPot  2
2
r
 10 mal mehr Masse als sichtbar
Röntgenstrahlung von Gasen
Röntgenstrahlung durch heißes Gas
schnelle Gasteilchen
Massenbestimmung des Galaxienhaufen
weil Gas an Galaxienhaufen gebunden
M > MVIS
Der Galaxienhaufen Abell 3528
Gravitationslinsen
Massereiche Objekte
führen zur Krümmung
des Raums (allg.
Relativitätstheorie)
Die aus der Krümmung
errechnete Masse
Verzerrung durch Galaxienhaufen Abell 2218
M > MVIS
CMB
Planck-Spektrum
COBE
T
T
105
Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen
bester fit mit ΛCDM: Ω0= 0,99±0,12, Ωm = 0.3, ΩΛ = 0,7
Baryonische Materie
Sichtbare Masse
0,005  LUM  0,01
Aufnahme von D/H Radiowellen
von einem Quasar
Aus Nukleosynthese
0, 03  Bar  0, 05
(für H0 = 70 km s-1 Mpc-1)
Dunkle Materie in HALOS
Gal  0,1
(für H0 = 50 km s-1 Mpc-1)
Zusammensetzung der Galaxie bzw. Universum
4 0,5
22,5
3H²  c2
c 
8G
73
H(t) = Hubbel Konstante
 70
km s
Mpc
DE
DM
GAS
Stars
MACHOs
M Zwerge
0,08 MS
Gasmasse die IR strahlt
zu wenig Strahlung gemessen
kein Kandidat für DM
MACHOs
Weiße Zwerge
0,5 – 1,2 MS
zu wenig Zeit für Entwicklung  kein Kandidat für DM
Planetarischer
Nebel NGC 2440
im Sternbild Puppis
MACHOs
Neutronensterne
1,4 MS
Schwarze Löcher
109 MS
Anzahl der schweren Elemente begrenzt die Anzahl der NS und BH
 Kein Kandidaten für DM
Der Pulsar im Krebsnebel (Pfeil).
Er rotiert 30 mal pro Sekunde.
Dieses Bild der Galaxie Pictoris A zeigt den Jet eines Schwarzen Loches 'in Echt'.
Das Bild oben wurde im Bereich der Röntgenstrahlung vom Chandra X-ray
Weltraum-Observatorium der NASA erstellt. Oben rechts trifft der Jet auf eine
Gaswolke, die er zum Leuchten anregt.
MACHOs
Braune Zwerge
>0,08 MS
rel. hohe Dichte und wenig IR
20% von Halo mit –12% - 30% Fehler
Begleiter des hellen Sterns Epsilon Indi im
Sternbild Indus (Indianer)
 Kandidat für DM
MACHOs
Planten + Kometen
Masseanteil zur Sonne zu gering
 Kein Kandidat für DM
Jupiter
Kometen Hale-Bopp
Heiße Dunkle Materie (HDM)
Neutrinos lange heißer Kandidat für DM
Abschätzung Neutrinomasse
N m  c
c  2 1029 g cm3
m  20eV
  0,1
2eV  m  20eV
Weiter Einschränkung durch Galaxiebildung
Mit Neutrinos als Fermi-Gas bei T = 0K
E F  c(3²n max )1 3  p max c
m4 v3f
n max m 
3² ³
10eV  m  20eV
mit vf  2GM r
Heiße Dunkle Materie (HDM)
Neutrino-Absorption
Wenn leicht Neutrinos den gal. HALO anfüllen, dann scharfe
Absorptionslinien für höchstenergetische Neutrinos
    Z0  Hadronen und Leptonen
M 2Z
E 
 4, 2 1020 eV
2m
m  10eV
Argumente gegen Neutrinos
Exp. Bestimmung der Neutinomasse (Tritium-ß-Zerfall)
mνe< 1eV
Neutrino - Oszillationen
m 2  m12  m 22  3 103 eV
Heiße Dunkle Materie (HDM)
• Entstehung des Universums „top-down“-Szenario
Bildung von Strukturen durch Quantenfluktuation
krit. Masse für Bildung von Strukturen bei 1016 Sonnenmassen mit
Neutrinos (m = 20eV)
 Größe von Superhaufen nötig
 Erst Superhaufen dann Galaxien „top-down“-Szenario
Aus Messung z  3, darum Neutrinos kein Kanditat für DM
 „bottom-up“-Szenario favorisiert  CDM
Durch CMB-Messung (COBE) bestätigt
Supersymmetrie
Probleme des SM:
• Hierarchie Problem: wieso ist MW\MP≈10-17
• Natürlichkeitsproblem
m2H = m2H;0+O(Λ2)
nackte Masse
Selbstenergie
Lösungsansätze:
GUT, SUSY, String-Theorie, usw.
Supersymmetrie
Higgs Boson
Eich Boson
Einführung von Loop Korrekturen
Supersymmetrie
SUSY-Algebra
Die SUSY Algebra enthält Pμ, Raum-Zeit Translationen. Aus der Eichinvarianz unter
dieser Transformation folgt die Einsteinsche Theorie der Gravitation. (SUGRA)
• |A > wird durch supersymmetrische Transformationen in |B > überführt
• Superpartner haben die gleiche Masse
• Superpartner haben dieselben Eichquantenzahlen (Ladung, schwacher
Isospin, Farbe, Masse)
Repräsentanten der SUSY sind Supermultipletts
Supersymmetrie
MSSM  minimale Anzahl neuer Teilchen und WW
R-Parität
PR  (1)3(B L)  2S
Particles (SM) = 1, Sparticles(SUSY) = -1
• Keine Mischung zwischen PR = 1 und PR = -1 Teilchen
• Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt werden
• Jeder Wechselwirkungsvertex muss eine gerade Anzahl (normal 0 oder 2) PR=-1
Sparticles haben.
• Ein schweres supersymmetrisches Teilchen kann in Leichtere zerfallen
• Das leichteste Sparticle (LSP) muß stabil sein
• Jedes Sparticle außer das leichteste zerfällt in einen Zustand mit einer ungeraden
Anzahl LSP (normal 1)
• Supersymmetrische Teilchen sollte man daran erkennen können, dass viel Energie
fehlt, die vom LSP weggetragen wird.
LSP
Neutralino: Die neutralen fermionischen Partner der neutralen
Eichbosonen W*0 und B*0 mischen mit den neutralen
fermionischen Partnern vom Higgs-Boson H*01;2.
Die vier Neutralinos (χ*0i) sind Eigenzustände der Diagonalisierten
Massenmatrix
LSP
Es gilt: M χ1 <M χ2 <M χ3<M χ4
Das Neutralinos (χ*00) ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP),
solang R-Parität erhalten
und Gravitino nicht leichter.
Idealer Kandidat für CDM
primordiale schwarze Löcher
schweres WIMPs  wäre guter Kandidat für CDM
m = 1018 g oder 1015m
S
r = 10-12 m
ρ = 1048 g/cm3
Entstehung:
• spontanen Symmetriebrechungen eines Skalarfeldes im
Frühphase des Universums
• kollabierte Gravitationswellen, die super-kritischen BrillWellen
Akkretion durch Mini–Löchern (pri. BH)  Saatkörner für Galaxien (spekulativ)
Zerfall:
•Quanteneffekte  Löcher würden schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung)
Axionen
CP Verletzung bei K0-Zerfall
QCD existieren Terme,in der starken WW, die CP verletzend sind
Fürs Neutron:
elekt. Dipolmoment = magnetische Dipolmoment
(starkes CP-Problem)
Erklärung: zusätzlich Felde und Symmetrien (Peccei Quinn Symmetrie
UPQ(1) ), die bei einer Skala fa spontan gebrochen wird
 Pseudo-Goldstone Boson  Axions
Kopplungen des Axions sind proportional zu 1/fa, sehr schwach
Zwei Photonen Kopplung (ähnlich π0)
A
Feld
γ
γ
A
γ
Axionen
Masse der Axione über Zerfallskonstante fa ,Vakuumserwartungswert eines
Higgsfeldes, bestimmt.
m A  0, 62eV107 GeV f a
Man kann sich folgende Grenzen für die Masse der Axionen überlegen:
• Bei m ≈ 1 keV würde die Sonne durch Emission von Axionen zu viel
Energie verlieren und zu schnell abkühlen.
• Bei m > 10-2 eV könnte das Heliumbrennen in roten Riesen nicht einsetzen.
• Aus der Breite des Neutrinopulses der Supernova SN 1987A ergibt sich
eine m < 10-3 eV
• Damit die Axionendichte der kritischen Dichte des Universums entspricht,
m ≈ 10-5eV
ρ = 1010 Teilchen pro cm³
10-5eV < mA < 10-3eV
Problem: noch nicht nachgewiesen
MOND
Modified Newton Dynamics
Zusammenfassung
Universum besteht aus:
   DE (73%)   DM (23%)   Baryon (4%)
Galaxie besteht aus:
   DM (86%)   Baryon (14%)
Aussichtreichster Kandidat für DM
B Zwerge
LSP