1 / 34

Die Suche nach dunkler Materie im Weltall

Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall 16.02.2007. Martin Langowski 195103. Die Suche nach dunkler Materie im Weltall. Indirekte Messmethoden. Inhalt. Einleitung Indirekte Suche Gammastrahlen -511keV Linien mit SPI/Integral -Überschuss bei diffuser Gammastrahlung

merry
Télécharger la présentation

Die Suche nach dunkler Materie im Weltall

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall 16.02.2007 Martin Langowski 195103 Die Suche nach dunkler Materie im Weltall Indirekte Messmethoden

  2. Inhalt Einleitung Indirekte Suche Gammastrahlen -511keV Linien mit SPI/Integral -Überschuss bei diffuser Gammastrahlung -~TeV Strahlung aus dem galaktischen Zentrum Antiprotonen & Positionen -Ballon und Satellitentenexperimente Neutrinos 2/34

  3. Einleitung Hinweise auf dunkle Materie - Rotationskurven - Modelle zur Strukturbildung - Gravitationslinsen Erkenntnisse -73% der Masse ist dunkle Energie -27% der Masse ist Materie -davon 4% Baryonen -80% der Materie ist Dunkel 3/34

  4. Indirekte Suche • Suche nach Sekundärteilchen aus Annihilation von Dunkle Materie Teilchen mit Antidunkle Materie Teilchen (DMA) • Genaue Kenntnis anderer (nicht so exotischer) Prozesse mit gleichen Sekundärteilchen notwendig • Mögliche stabile Reaktionsendprodukte : (alle anderen Zerfallen) Elektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen, Photonen und Neutrinos - Geladene Materie Teilchen ( Elektronen, Protonen) verlieren zu viele Informationen und tauchen zu häufig bei anderen Phänomenen auf. 4/34

  5. Gammastrahlung • Herkunftsrückschluss möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Oder: Gammastrahlung aus Elektron-Positron-Annihilation in Ruhe 511keV Strahlung • Messungen in verschiedenen Spektralbereichen mit entsprechenden Instrumenten • (INTEGRAL E=511keV, diffuse Gammastrahlung bei EGRET E>1GeV, Tscherenkov-Teleskope E~TeV) • Hintergrund: - WW von kosmischer Strahlung mit interstellaren Medium zumeist durch pi0 Zerfall - WW von hochenergetischen Elektronen durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung 5/34

  6. 20keV-10Mev Energieauflösung 2keV bei 1MeV 511keV Linie mit SPI/Integral 6/34

  7. 7/34 Energieauflösende Messung

  8. Herkunftsbestimmende Messung 8/34

  9. 9/34

  10. 511keV Strahlung stammt zum Großteil aus dem verdichteten Zentrum der Galaxie (Bulge) 10/34

  11. Interpretation • 511keV Strahlung stammt aus dem verdichteten Zentrum (Bulge) • Dort wird auch die größte Dichte dunkler Materie vermutet Nicht DM Interpretation -Nicht DM Interpretationen (Astrophys. Phänomene, bei denen Positronen entstehen) aus vorangegangen Experimenten brauchen einen größeren Intensitätsanteil aus der Disc - Ein entsprechender Anteil wurde nicht gemessen 11/34

  12. Diffuse Gammastrahlung • Erstes Gammastrahlenteleskop im All: Explorer XI 1961 • Mai 1961- September 1961 nur 100 gemessene Photonen aus verschiedensten Bereichen des Alls welche als „Gammastrahlen Hintergrund“ gedeutet wurden • SAS-2 (1972-73) und COS-B (1975-82) liefern erste vollständige Karten des Universums im Gammastrahlenbereich 12/34

  13. 1977 Beginn der Planung von CGRO mit 4 Instrumenten: COMPTEL, BATSE, EGRET, OSSE • Flugzeit 5.4.1991-4.6.2000 13/34

  14. Funkenkammer zur Richtungsmessung Gamma konvertiert in Funkenkammer in e+e- NaI(Tl) Kalorimeter zur Energiemessung der e+ und e- Antikoinzidenzschild Energiebereich: 20MeV-30GeV EGRET 14/34

  15. Was wurde Gemessen • Zur Modellierung des Hintergrunds (gelb) wurde das Programm GALPROP genutzt • Zur Modellierung der Kontur der DMA Kurve wurde Das Programm DarkSusy benutzt 15/34

  16. Interpretationen des Überschusses • Es gibt eine Gruppe (W. de Boer et al.) die Überschuss mit DM erklärt ( => wird im folgendem behandelt) • Andere Gruppen Erklären den Überschuss als Fehlmodellierung • Dabei können z.B. leichte Änderungen der Kern und Elektron Spektren zur Erklärung des Überschusses führen 16/34

  17. Messung in 6 Raumrichtungen 17/34

  18. Erste Schlüsse • Der Überschuss der diffusen Gammmastrahlung bei Energien >1GeV ist in allen Raumrichtungen zu sehen • Der Überschuss entsteht durch DMA von Wimps mit einer Ruhmasse von 50GeV-100GeV 18/34

  19. Ausweitung der Messungen auf viele ( hier 180 ) Raumrichtungen • Unter Annahme bestimmter Voraussetzungen der Strukturentstehung, ist der Überschuss proportional zum Integral über das Quadrat der DM Dichte in Sichtrichtung • Dies liefert Hinweise auf das Haloprofil • Mit diesem lässt sich dann auch die Rotationskurve der Milchstrasse erklären(Halo + 2 Ringe bei 4kpc und bei 14kpc) 19/34

  20. Parameterisierung des Haloprofils aus empirischen Beochbachtungen • Isothermales Haloprofil (alpha,beta,gamma)=(2,2,0) • a ist der Skalierungsradius • r ist Radius • rho0 ist Dichte bei r=0 für große r ist rho proportional zu 1/r^2 20/34

  21. konstante Energie >0,5GeV Flussdichte über galaktische Länge dargestellt in festem Bereich galaktischer Breite links: isothermisches Haloprofil als DM rechts: isothermisches Haloprofil + 2 Ringe bei4kpc und 14kpc als DM 21/34

  22. Sichtbare Materie DM Beitrag gesamt DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring 22/34

  23. Galaktisches Zentrum Schwarzes Loch Sgr A* mit 3*10^6 Sonnenmassen Supernovaüberrest Sgr A East Gebiet mit hoher Dichte an ionisierten Wasserstoff Sgr A West Zuerst gefunden als Radioquelle mit geringer Luminosität Variabel in Zeitskalen <1h im Infrarotband und für Röntgenstrahlung, aber nicht bei Gammastrahlung Hochenergetische Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum 3‘ Sgr A* Sgr A East 23/34

  24. Es wurde E^2*Flussdichte =E^(-2,2) gemessen Zur Erklärung benötigt man Wimp mit Masse>12TeV, da dort kein cutoff zu erkennen Andere DM Erklärung: Teilchen aus sogenannter Kaluza-Klein-Theorie - Zur KK-DM Erklärung wird ein großer Fluss und/oder ein großer Wirkungsquerschnitt benötigt Diese können alleine das Spektrum nicht erklären Es muss weitere Phänomene geben, die Beitragen Signal und Interpretation 24/34

  25. Antiprotonen • Keine Ortsangabe der Quelle möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Hohe Reichweite im interstellaren Medium, d.h. Antiprotonen können aus der ganzen Milchstraße (Durchmesser ca. 30 kpc) die Erde erreichen (auf gekrümmten Bahnen) • Hintergrund: Antiprotonen entstehen bei Stößen von Protonen mit dem Interstellaren Medium (zumeist Wasserstoff) oder in Erdatmosphäre 25/34

  26. Positronen • Keine Ortsangabe der Quelle möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Kurze Reichweite (wenige kpc) aufgrund hoher Energieverluste(z.B. durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung, Synchrotonstrahlung) - auch vorteilhaft, da Hintergrund Modellierung einfacher • Hintergrund: Positronen aus Wechselwirkung von Photonen mit geladener Kosmischer Strahlung u.a. Astrophysikalische Phänomene (Supernovae, Pulsare…) 26/34

  27. Ballonexperimente Erste Messungen 1979 Heutige Experimente BESS seit 1993 jährlich ca.10h/a bis 2004 etwa 2000 Antiprotonen gemessen (1993 nur 6) Größenordnung des Verhältnis der Antiprotonen zu Protonen O(10^-5) Seit 2004 BESS-Polar mit Flugdauern von ca.10Tagen CAPRICE (94 und 98) HEAT (sowohl e+e- als auch pbar Suche) Satellitenexperimente AMS(01 Testflug 1998, 02 ab 2008), Pamela(2006) Antiprotonen und Positronen Suche 27/34

  28. Messinstrumente • oben: • BESS-Polar • unten von links: • HEAT e+- • HEAT pbar • AMS-02 28/34

  29. Kurze Beschreibung • Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) • Flugzeitzähler(TOF) • Tscherenkovzähler(RICH) • Elektromagnetisches Kalorimeter(ECAL) • Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC) • Si-Spurdetektor(Tracker) • Supraleitender Magnet (ca.1T) 29/34

  30. Bisherige Erkenntnisse • BESS: • Fluss und Energieabhängigkeit des Antiproton/Proton Verhältnisses lassen sich ohne Dunkle Materie klären • HEAT: • Positronen sind reine Sekundärteilchen von Kernwechselwirkungen im interstellaren Raum • Allerdings kann DM noch nicht ausgeschlossen werden 30/34

  31. Positronfraction (#e+/#e-) für Energien von 1GeV-30GeV • HEAT Messwerte 94/95 rot Messwerte 2000 blau • Modell für Spektrum mit zusätzlichen Anteil von DM aus Kaluza-Klein-Theorie schwarz • gestrichelte Linien für andere e+ Diffusionsparameter => DM aus KK-Theorie als Strahlungsquelle noch nicht ausgeschlossen e+ diffusion parameters D. Hooper, hep-ph/0409272 31/34

  32. Neutrinos • Herkunftsrückschluss möglich • Ist selbst WIMP ( Heiße Dunkle Materie) • Nur schwach wechselwirkend, deshalb nur schwer (mit riesigen Detektoren) nachzuweisen • Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen • Durchdringt auch Regionen durch die andere Teilchen wegen WW nicht durchkommen ( Neutrinos aus inneren der Sonne, Erde u.a. falls sich DM dort sammelt ) 32/34

  33. Zusammenfassung • Indirekte Suche nach DM über Sekundärteilchen von DM Annihilation möglich • Es wurden tatsächlich Signale gemessen, die mit DM erklärt werden können • Aber: Zumeist gibt es starke Gegenargumente • Eindeutiger Nachweis der Existenz von DM mit indirekter Suche steht noch aus 33/34

  34. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ergänzungen, Meinungen, Fragen ? 34/34

More Related