Das Rätsel der Dunklen Materie, Erhellendes aus
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Das Rätsel der Dunklen Materie Erhellendes aus Universum und Labor Jun. Prof. Dr. A. Straessner TU Dresden Lange Nacht der Wissenschaften TU Dresden 18. Juni 2010 FSP 101 ATLAS Einführung • Was ist Dunkle Materie? • Nachweis Dunkler Materie im Labor • Suche nach Dunkler Materie am Large Hadron Collider (LHC) Dunkle Materie - Arno Straessner 2 Dunkle Materie - Arno Straessner 3 Sterne und Galaxien = leuchtende, sichtbare Materie nicht nur sichtbares Licht, auch andere Strahlung (Radiowellen, Infrarot, ...) Dunkle Materie - Arno Straessner 4 Dunkle Materie nicht durch Strahlungsemission nachweisbar Dunkle Materie - Arno Straessner 5 Aber warum sollte es Dunkle Materie geben? Dunkle Materie - Arno Straessner 6 Unsere Galaxie – die Milchstrasse • Spiralgalaxie Sonne Dunkle Materie - Arno Straessner 7 Unsere Galaxie – die Milchstrasse • Spiralgalaxie • rotierende Sterne um das galaktische Zentrum Sonne Dunkle Materie - Arno Straessner 8 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten • Bestimmung der BewegungsGeschwindigkeit anhand des DopplerEffekts • Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Dunkle Materie - Arno Straessner 9 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten • Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al. 1989 Scheibe rotierender fester Körper Dunkle Materie - Arno Straessner 10 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten • Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al. 1989 Scheibe rotierender fester Körper rotierende Objekte um massives Zentrum Dunkle Materie - Arno Straessner 11 Messung der Rotationsgeschwindigkeiten • Bestimmung der Bewegungs-Geschwindigkeit anhand des Doppler-Effekts und Verschiebung bekannter Spektrallinien von Atomen und Molekülen Galaxie NGC 3198 im Sternbild Grosser Bär Zentrum Begeman et al. 1989 Scheibe Halo aus Dunkler Materie rotierender fester Körper rotierende Objekte um massives Zentrum Dunkle Materie - Arno Straessner 12 Fred Zwicky 1933 • Beobachtung von Geschwindigkeiten im Sternenhaufen Coma Berenices • Bestimmung der Masse aller Objekte im Coma Sternenhaufen aus Bewegungsenergie und Energie der Schwerkraft für sichtbare Sterne und Galaxien gilt: Masse ~ Leuchtkraft Zwicky findet eine Leuchtkraft, die 200-fach kleiner ist als erwartet! → Dunkle Materie Dunkle Materie - Arno Straessner 13 Ein weiterer Hinweis: Gravitationslinsen • Das Licht weit entfernter Galaxien wird im Gravitationsfeld naher Galaxien und Massenverteilungen abgelenkt wie von einer optischen Linse • Mit dem Hubble Space Teleskop wurden solche Gravitationslinsen genau vermessen • Ergebnis: die Masse, die zur Ablenkung nötig ist, ist größer als von den leuchtenden Objekten erwartet → Dunkle Materie Dunkle Materie - Arno Straessner 14 Bullet Cluster – kosmische Kollision dunkle Materie (Gravitationslinsen) leuchtende Materie (Gas) Dunkle Materie - Arno Straessner 15 Kosmische Hintergrundstrahlung • Strahlung, welche vom "Urknall" bei der Expansion des Universum zurückgeblieben ist • gemessen mit WMAP Teleskop Wilkinson Microwave Anisotropy Probe • mittlere Strahlung entspricht einer Temperatur von 2,725 ± 0, 001 Kelvin • aus Temperaturvariationen kann man die Zusammensetzung des Universums ableiten Dunkle Materie - Arno Straessner 16 Ergebnis der Analyse Atome Dunkle Energie Dunkle Materie Dunkle Materie - Arno Straessner 17 Entstehung kosmischer Strukturen Simulation großer kosmischer Strukturen benötigt Dunkle Materie als Baustein Dunkle Materie - Arno Straessner 18 Entstehung kosmischer Strukturen Simulation großer kosmischer Strukturen benötigt Dunkle Materie als Baustein Dunkle Materie - Arno Straessner 19 Suche nach Dunkler Materie im Labor • Teilchendetektor aus Natrium-Iodid-Kristallen im Untergrundlabor Gran Sasso in Italien • Erde kreist um Sonne und fliegt gleichzeitig durch Hintergrund aus Dunkler Materie • Jahreszeitliche Variation der Wechselwirkungen mit dem Teilchendetektor: • Ergebnisse noch nicht von anderen Experimenten bestätigt Dunkle Materie - Arno Straessner 20 Woraus könnte Dunkle Materie bestehen? • MACHOs = Massive astrophysikalische kompakte Halo-Objekte • z.B. Braune Zwerge • nur ein kleiner Teil der dunklen Materie • WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles • Schwach wechselwirkende, massive Teilchen • Beispiel: neue, schwere Elementarteilchen • Supersymmetrische Teilchen = Kopie bekannter Elementarteilchen Dunkle Materie - Arno Straessner 21 Suche nach Dunkler Materie am LHC • Kollision von Protonenstrahlen LHCb ATLAS • sehr hohe Energie • 14000-fache Protonmasse kann in neue Elementarteilchen umgewandelt werden CMS ALICE Dunkle Materie - • 4 große Teilchendetektoren Arno Straessner 22 Bekannte Elementarteilchen schon gefunden Dunkle Materie - Arno Straessner 23 Neue Elementarteilchen werden gesucht • Wie kann man Kandidaten für Dunkle Materie finden? • Diese Teilchen wechselwirken quasi nicht mit dem Detektor - "Neutralino" • "fehlende Energie" ist der Schlüssel Teilchen entkommt fehlende Energie q X p 10 p g qL 20 q q Dunkle Materie - R Arno Straessner 24 Teilchendetektor ATLAS • Detektor deckt Raumwinkel so komplett wie möglich ab 25 Ein Beispiel-Ereignis • Datennahme am LHC: 2009-2011, 2013-2016, 2020-2030 • Entdeckung supersymmetrischer Teilchen von 500-facher Protonmasse möglich schon im Jahr 2011... Dunkle Materie - Arno Straessner 26 Zusammenfassung • Viele Hinweise auf Dunkle Materie in Kosmos und Weltall • Genaue Eigenschaften noch unbekannt • Suche nach Dunkler Materie auch in Laborexperimenten auf der Erde • Entdeckung von Kandidaten für Dunkle Materie am LHC möglich schon in den nächsten Jahren • mehr Informationen in der heutigen Ausstellung und Aktuelles unter: www.atlas.ch Dunkle Materie - Arno Straessner 27
