Dunkle Materie

Dunkle Materie
Jan Schäffer
19. Juli 2010
Inhaltsverzeichnis
1 Hinweise
1.1 Widersprüche zu Keplers Gesetzen
1.2 Gravitationslinsen . . . . . . . . .
1.3 Bullet Cluster . . . . . . . . . . . .
1.4 Kosmische Hintergrundstrahlung .
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2 Ansätze zur Erklärung
2.1 Normale Materie . . . . . . .
2.2 Exotische Materie . . . . . .
2.2.1 Millennium Simulation
2.2.2 Kandidat: Neutrino .
2.2.3 Supersymmetrie . . .
2.2.4 Kandidat: Neutralino
2.3 MoNd . . . . . . . . . . . . .
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3 Suche nach Beweisen
3.1 Suche nach WIMPs .
3.1.1 Orpheus . . .
3.1.2 CDMS-II . .
3.1.3 LHC . . . . .
3.2 Suche mit Neutrinos
3.2.1 IceCube . . .
3.2.2 MINOS . . .
3.3 Dunkle Energie . . .
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Abbildungsverzeichnis
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Kapitel 1
Hinweise
1.1
Widersprüche zu Keplers Gesetzen
• Fritz Zwicky (Schweizer Astronom) beobachtet Bewegungen im Coma Galaxienhaufen (1933)
• Rotationsgeschwindigkeiten sind viel zu schnell für die Schwerkraft der
sichtbaren Materie
• Zehn mal mehr Materie wäre notwendig
• Spätere Beobachtungen bestätigen dies
• Dunkle Materie wird postuliert
Abbildung 1.1: Gemessene Geschwindigkeiten (blau) und theoretische Vorhersagen nach Kepler (rot)
1.2
Gravitationslinsen
• Große Masseansammlungen (z.B. Galaxienhaufen) lenken licht durch Gravitation ab, man sieht ein verzerrtes Bild
3
• Masse der Gravitationslinsen kann berechnet werden
⇒ Masse zu groß für sichtbare Materie
⇒ Dunkle Materie?
Abbildung 1.2: Gravitationslinse
1.3
Bullet Cluster
• Kollision zweier Galaxienhaufen
• Gase wechselwirken und Bremsen sich gegenseitig aus
• Aber: Masse bewegt sich ungebremst weiter
⇒ Dunkle Materie mit extrem schwacher Wechselwirkung
Abbildung 1.3: Pink: heißes Gas, sendet Röntgenstrahlen aus (NASA-Satellit
Chandra), Blau: Ort der Materie (Lichtablenkung)
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1.4
Kosmische Hintergrundstrahlung
• Dichtefluktuation der Materie
⇒ Grund könnte Dunkle Materie sein
• Fluktuationen wachsen durch Expansion, ziehen sich später wegen Gravitation wieder zusammen
⇒ Potentialbrunnen enstehen, in die die normale Materie hineinfällt
⇒ Bildung von Galaxien und Sternen
• Heutige Vermutung: Alle Galaxien liegen in Halos Dunkler Materie
Abbildung 1.4: Emission kosmischer Hintergrundstrahlung unserer Galaxie, aufgenommen vom Cosmic Background Explorer Satellit (COBE)
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Kapitel 2
Ansätze zur Erklärung
2.1
Normale Materie
• Normale Materie = Baryonische Materie
• Wurde bisher nicht gefunden
⇒ muss versteckt sein
⇒ Objekte die kein Licht produzieren und hohe Dichte haben
Abbildung 2.1: Liste möglicher DM-Verstecke; M = Sonnenmasse = 1, 989 ·
1030 kg
• Aus Berechnungen geht hervor, dass maximal 6% der Masse des Universums baryonisch ist
⇒ Großteil der DM muss nicht-baryonisch sein
2.2
Exotische Materie
Vorüberlegung zur „exotischen“ dunklen Materie: Ist DM heiß oder kalt?
• Heiße DM: leichte und schnelle (v≈c) Teilchen
• Kalte DM: schwere und langsame (v«c) Teilchen
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2.2.1
Millennium Simulation
Simuliert Strukturbildung im Universum
• Vor dem Urknall: Größenordnung 10−33 cm
• 10−34 s danach: Expansion um das 3 · 1043 -fache
• Modellannahme: Homogene Verteilung aller Teilchen
• Dann: einschalten der Wechselwirkung zwischen den Teilchen
Abbildung 2.2: Vom Urknall bis heute
Es zeigt sich:
• Modelle ohne dunkle Materie bilden keine Cluster → Gravitation zu gering
• Modelle mit heißer dunkler Materie bilden keine Cluster → Verwirbelungen durch hohe Geschwindigkeiten
• Modelle mit kalter dunkler Materie bilden Cluster → Struktur wie wir sie
im Universum vorfinden
⇒ Großteil der DM muss kalt sein
Link zu Videos der Millennium Simulation:
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
2.2.2
Kandidat: Neutrino
• Benötigt eine Masse von ca. 1eV um Phänomene zu erklären (Vergleich:
mp ≈ 940MeV)
• Masse erscheint winzig, aber Anzahl der Neutrinos ist um einen Faktor
1010 größer als die der Baryonen
• Problem: Neutrinomasse im Standardmodell auf Null gesetzt
• Größeres Problem: Neutrinos sind heiße Teilchen (Widerspruch zur Strukturbildung)
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2.2.3
Supersymmetrie
• Wir wissen: Standardmodell ist nicht die letzte Wahrheit
→ beschreibt nicht die gravitative Wechselwirkung
• Verschiedene Modelle zur Erweiterung des Standardmodells
⇒ Postulate neuer Teilchen
• Supersymmetrie (SuSy) postuliert zu jedem Teilchen einen supersymmetrischen Partner
• Stabiles, leichtestes, neutrales supersymmetrisches Teilchen: Neutralino
• Problem: Bisher konnte kein Supersymmetrie Partner gefunden werden
Abbildung 2.3: Standard Teilchen und ihre supersymmetrischen Partner
2.2.4
Kandidat: Neutralino
• Durch SuSy postuliert
• Stabil, elektrisch Neutral, Masse zwischen 10-1000GeV (kaltes Teilchen)
• Wechselwirkt extrem schwach mit normaler Materie
⇒ Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)
• Problem: Bisher kein experimenteller Nachweis
• Allerdings: SuSy wurde unabhängig zur DM vorgeschlagen, erklärt diese
jedoch
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Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Halo unserer Galaxie
• Neutralinos sitzen im Halo unserer Galaxie
• Dichte ungefähr 320MeV/cm3 , Geschwindigkeit ungefähr 270km/s
• Erwartete Raten in Detektoren wg. extrem schwacher Wechselwirkung bei
weniger als 1 pro kg Detektormaterial pro Tag
⇒ Sehr schwer nachweisbar
2.3
MoND
Idee:
Zusammenhang zwischen
und gravitativer Beschleunigung wird
newton’scher
a
modifiziert: an = a · µ a0 . a0 ist eine noch nicht näher bekannte Naturkonstante.
Häufig benutzte Formel (konstruiert):
a
a
0
µ
= r a
2
a0
1 + aa0
a
1
a >> a0 (→ Zentrum)
⇒µ
=
a
a << a0 (→ Außenregionen)
a0
a0
Mit diesem
Ansatz folgt für die Rotationsgeschwindigkeiten in Außenregio√
nen: v = 4 GM a0 = konstant.
Konstante Geschwindigkeiten werden beobachtet (Siehe 1.1). Daraus kann die
eingeführte Naturkonstante zu a0 ≈ 10−10 sm2 bestimmt werden.
Problem: Bullet Cluster
• Beobachtete Effekte können nicht durch MoND vorher gesagt werden
• Es müsste eine andere Art der dunklen Materie eingeführt werden, um das
Modell zu retten
⇒ Heiße Neutrinos (ca. 2eV, heiße DM)
⇒ Widerspruch zur Strukturbildung
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Kapitel 3
Suche nach Beweisen
3.1
Suche nach WIMPs
• Extrem schwache Wechselwirkung der WIMPs
⇒ sehr geringe Rückstoßenergien werden freigesetzt
• extreme Bedingungen für Experimente
⇒ Temperartur bei -273◦ C → sehr geringe Wärmekapazität
• s.g. „Cryogenic Detectors“
→ Orpheus (Bern), CDMS-II (Minnesota)
• Suche ebenfalls am LHC
3.1.1
Orpheus
• Suche nach freien WIMPs aus dem Universum
• 70m unter der Erde um Störungen zu minimieren
• Besteht aus Milliarden kleiner Zinnkörner im supraleitendem Zustand,
von außen angelegtes Magnetfeld kann diese nicht durchdringen (MeißnerOchsenfeld-Effekt)
• Bei Wechselwirkung mit Wimp: „Flip“ in normalleitenden Zustand
• Änderung des Magnetfelds kann detektiert werden
3.1.2
CDMS-II
• Suche nach freien WIMPs aus dem Universum
• Forschungseinrichtung in ehemaligem Bergwerk
• Besteht aus viel abschirmendem Material, in die Detektorkristalle eingebaut sind
• Bei Wechselwirkung mit Wimp: elastischer Stoß und entstehen eines Phonons im Kristall
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• Diese lösen Elektronen in der Aluminiumhülle, diese versetzen supraleitendes Wolfram in normalleitenden Zustand
⇒ Detektierbar
3.1.3
LHC
• Keine direkte Suche nach DM
• Es sollen neue schwere Teilchen erzeugt werden können, z.B. SuSy-Teilchen
• Falls das gelingt: Neutralinos heißester Kandidat für Kalte DM
→ Prüfung ob Neutralinos in gefundener Form die Phänomene erklären
können
• Gesucht wird in den Detektoren ATLAS und CMS
3.2
3.2.1
Suche mit Neutrinos
IceCube
• Suche nach kosmischen heißen Teilchen
• Forschungsstation am Südpol
• Sensoren in 1450-2450m Tiefe
• Teilchen wechselwirken mit Eis-Teilchen, erzeugen z.B. (im Fall von MyonNeutrinos) Myonen, die Tscherenkov-Strahlung freisetzen
• Aus Ankunftszeiten an den Detektoren wird die Richtung und die Quellen
der Teilchen bestimmt
• Man erhofft sich: Aufschluss über Quellen kosmischer Strahlung, Entdeckung von Supernovae und Strahlungsausbrüchen (z.B. aus schwarzen Löchern), sowie die Detektion von heißen unbekannten Teilchen, die zur DM
beitragen könnten
3.2.2
MINOS
• Ziel: Detektion von erzeugten Neutrinos und genaueres bestimmen ihrer
Masse
• Minosdetektor in ehemligem Bergwerk in Minnesota
• Erzeugung von Myonneutrinos am Fermilab in Chicago und Beschuss des
MINOS-Detektors (735km vom Detektor Distanz)
• Neutrinos oszillieren zum Teil in andere Flavors
• Differenz der Massenquadrate kann bestimmt werden
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3.3
Dunkle Energie
• Beobachtung von Supernova-Explosion und Bestimmung des Abstandes
• Ergebnis: Universum dehnt sich mit zunehmener Beschleunigung aus
• Phänomen benötigt negativen Druck
⇒ Postulat: Dunkle Energie
• Ca. 70% der Energie im Universum ist dunkle Energie
• Ihre Gravitation muss abstoßend sein
Abbildung 3.1: Zusammensetzung des Universums
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Abbildungsverzeichnis
1.1
1.2
1.3
1.4
Gemessene Geschwindigkeiten (blau) und theoretische Vorhersagen nach Kepler (rot) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gravitationslinse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pink: heißes Gas, sendet Röntgenstrahlen aus (NASA-Satellit
Chandra), Blau: Ort der Materie (Lichtablenkung) . . . . . . . .
Emission kosmischer Hintergrundstrahlung unserer Galaxie, aufgenommen vom Cosmic Background Explorer Satellit (COBE) .
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2.1
2.2
2.3
2.4
Liste möglicher DM-Verstecke; M = Sonnenmasse = 1, 989 · 1030 kg
Vom Urknall bis heute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Standard Teilchen und ihre supersymmetrischen Partner . . . . .
Schematische Darstellung des Halo unserer Galaxie . . . . . . . .
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3.1
Zusammensetzung des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . .
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