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Dunkle Materie

Dunkle Materie. Dunkle Materie. von Hendrik Glowatzki. Wiederholung: Kosmologische Dichte. Kosmologische Dichte:. mittlere Dichte im Weltall -. kritische Dichte -. einige exemplarische Ergebnisse. Dunkle Materie?. Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 <  < 0,3.

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Dunkle Materie

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Presentation Transcript

  1. Dunkle Materie Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki

  2. Wiederholung: Kosmologische Dichte Kosmologische Dichte: mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte -

  3. einige exemplarische Ergebnisse Dunkle Materie? Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 <  < 0,3 Fluchtgeschwindigkeitsfelder: 0,25 <  < 2 Baryonische Dichte über Luminosität: b < 0,03

  4. Heutige Annahme: Aufteilung 70% dunkle Energie 30% Materie 90% dunkle Materie 10% gewöhnliche Materie nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!

  5. Übersicht • Hinweise • Kandidaten • Experimenteller Nachweis

  6. Hinweise auf dunkle Materie • Rotationskurven von Spiralgalaxien • Elliptische Galaxien • Dynamik von Galaxienhaufen • Hinweise aus Kosmologie

  7. Rotationskurven von Spiralgalaxien Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?

  8. Berechnung allgemein Stabile Kreisbahn: Mr – Gesamtmasse innerhalb Radius r

  9. außerhalb: Gesamtmasse konkrete Berechnung innerhalb: kugelförmiger „bulge“

  10. Bild von Theorie

  11. Sphärischer Halo aus dunkler Materie? experimentell: Experimentell !

  12. Elliptische Galaxien

  13. Dunkle Materie? Gashalo Röntgenabsorption: Gashalos mit 107 K Gasmoleküle lägen über Fluchtgeschwindigkeit Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen über dem der Sonne

  14. Dynamik von Galaxienhaufen

  15. Virialsatz Virialsatz: mit und

  16. Dunkle Materie? Messung Messung: Masse liegt 2 Größenordnungen höher als von Leuchtkraft zu Masse berechnetem Wert

  17. Hinweise aus der Kosmologie

  18. Flachheitsproblem erfordert  = 1 Flachheitsproblem: Heutiges Universum extrem flach Muss früher noch viel flacher gewesen sein Warum war das Universum so flach? Inflation!

  19. Massive Teilchen, die früher entkoppelten und Kondensationskeime bildeten? Galaxienentstehung Galaxienentstehung: Galaxien aus Dichteinhomogenitäten entstanden Strahlung und Materie bei 3000 K entkoppelt Dichteinhomogenitäten erst später entstanden Zeit reicht nicht zur Bildung heutiger Strukturen

  20. Kandidaten • Alternativen • Baryonische dunkle Materie • Nicht-baryonische dunkle Materie

  21. Alternativen Dunkle Energie Kosmologische Konstante : Einstein:  für statisches Universum eingeführt Nach Entdeckung der Expansion meist  = 0 Heute:  als Energiedichte des Vakuums Zeitabhänge Gravitationskonstante: G(t) hätte anderes b zur Folge Aber: Keine Energieerhaltung !!!

  22. MOND-Theorie: MOND-Theorie (modified Newtionian dynamics) Annahme: Gravitationsgesetzt nicht universell gültig

  23. Baryonische Dunkle Materie Gewöhnliche baryonische Materie MACHO’s (Massive Compact Halo Objekts)

  24. Braune Zwerge: Braune Zwerge Objekte mit kleiner Masse  Keine Kernfusion z.B. Planeten Mangelnde Kenntnis über Entstehung Weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher: Endprodukte eine Sternenlebens Materie teilweise wiederverwendet Leichte Sterne größere Lebensdauer als Universumalter

  25. Nicht-baryonische dunkle Materie WIMP’s (weakly interacting massive particles) COBE und QDOT IRAS: 30% heiße und 70% kalte dunkle Materie

  26. Heiße dunkle Materie Leichte Neutrinos: Vorteil: leichte Neutrinos bekannt bereits geringe Masse hätte gravierende Auswirkung auf Dynamik des Universums Neutrinos haben bei T= 1010 K entkoppelt  heiße dunkle Materie

  27. Kalte dunkle Materie Schwere Neutrinos: • Theoretisch mögliche Teilchen • Bei Entkopplung bereits nicht-relativistisch • kalte dunkle Materie Axionen: hypothetische Teilchen aus Symmetriebrechung im starken CP-Problem Axion-Hintergrundfeld

  28. Supersymmetrische Teilchen Supersymmetrische Teilchen: hypothetische Teilchen aus Supersymmetrie Boson-Fermion-Symmetrie nur schwache Wechselwirkung Mögliche SUSY-Teilchen für dunkle Materie: Photino, Higgsino, Zino, sNeutrino, Gravitino Bislang kein Nachweis ( Beschleunigerexperimente)

  29. Nachweis • MACHO‘s • Axionen • WIMP‘s

  30. MACHO-Nachweis Gravitationslinsen: allgemeine Relativitätstheorie  Gravitationslinseneffekt Winkelabstand  Masse der Linse

  31. Microlensing: Microlensing Abbilder aus Gravitationslinseneffekt so dicht beieinander, dass nicht mehr unterscheidbar  Modifikation + Verstärkung der Bilder, wegen Bündelung des Lichtes von größerem Winkelbereich Merkmale: • hohe Lichtverstärkung • symmetrische Lichtkurve • Veränderung ist achromatisch • statistisch nur 1 Ereignis pro Stern

  32. Das MACHO-Projekt • Teleskop in Australien • scannt Himmel mit CCD seit Beginn 1992: einige Ereignisse in LMC und in Zentrum der Milchstraße - etwa halbe Sonnenmasse - Objektart nicht sicher - reicht nicht zur Erklärung

  33. Axionnachweis geringe Anzahl an Ereignissen Masse von 10-5 bis 10-3 eV

  34. Versuch 1 Versuch 1:

  35. Versuch 2 Versuch 2:

  36. WIMP-Nachweis Nachweis der Rückstoßenergie bei Wechselwirkung mit Atomkern

  37. Tieftemperaturmethoden Tieftemperaturmethoden: • Supraleitende Spule knapp unterhalb der Sprungtemperatur • Auftreffen von einem WIMP • Rückstoßenergie zerstört Cooper-Paare • messbares Spannungssignal

  38. kalorimetrische Messung kalorimetrische Messung: Rückstoßenergie ER=Q kleines Q  großes T

  39. Messung der Phononen Phononmessung

  40. Ionisation in Halbleiterzählern: Ionisation in Halbleiterzählern Empfindlichkeit bis zu sehr großen Massen Rückstoßkern erzeugt Elektron-Loch-Paare  Stromstoß Spinunabhängig: 76Ge Spinabhängig: 73Ge Si-Halbleiterzähler für den Nachweis leichterer Teilchen

  41. DAMA (Dark Matter Search) • NaI-Detektor in Gran Sasso • Abschirmung: 1400m Gestein • WIMP‘s sammeln sich wegen Gravitations-WW in Zentrum der Milchstraße • erwarten jahreszeitlich schwankende Ereignisrate wegen der Bewegung der Erde um die Sonne

  42. Ergebnisse • ein solches Signal wurde als 3 prozentige Schwankung der Wechselwirkungsrate gefunden  WIMP‘s mit 60 GeV? Für höhere Nachweisgenauigkeit ist Rauschen noch zu groß

  43. CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) • Germanium-Detektor in alter Mine in USA • - Rückstoßenergie über Temperaturerhöhung bestimmt • Untergrund kann von WIMP-Ereignissen durch die zusätzliche Messung der Phononen effizienter unterschieden werden •  erste Messungen scheinen Ergebnisse von DAMA zu widerlegen

  44. Zusammenfassung Universum scheint aus einem „Cocktail“ von Bestandteilen zu bestehen: Neben der dunklen Energie dominiert die nicht-baryonische Materie, welche sich vornehmlich aus kalter dunkler Materie mit einem „Schuss“ Neutrinos zusammensetzt. Die uns bekannte baryonische Materie stellt nur einen Bruchteil des gesamten Universums dar. Durch Erhöhung der Empfindlichkeit ( mehr Detektormasse) und bessere Unterdrückung des Untergrundes ( mehr Schirmung) sollen die Experimente in Zukunft mehr und genauere Daten liefern. ,,If it's not DARK, it doesn't MATTER.“ Anonymus

  45. Literatur • H.V.Klapdor-Kleingrothaus/A.Staudt „Teilchenphysik ohne Beschleuniger“ • H.V.Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber „Teilchenastronomie“ • Spektrum der Wissenschaft „Gravitation“ • C.Grupen „Astroteilchenphysik“ • Internet

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