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Geheimnis der dunklen Materie

Geheimnis der dunklen Materie. Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München. Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum?. 50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008. Thomas Wright (1750), An Original Theory of the Universe. Pizza. Dunkle Energie 73%

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Geheimnis der dunklen Materie

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Presentation Transcript

  1. Geheimnis der dunklen Materie Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Das Geheimnis der Dunklen Materie WorausbestehtdasUniversum? 50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008

  2. ThomasWright(1750),AnOriginalTheoryoftheUniverse

  3. Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23%

  4. Struktur von Spiralgalaxien Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891

  5. Sonnensystem

  6. „Rotationskurve” des Sonnensystems Kepler’sches Gesetz

  7. Galaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen Spiralgalaxie NGC 3198 mit überlagerten Konturen der Wasserstoff-Säulendichte [ApJ 295 (1985) 305] Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Radiobeobachtungen der Wasserstoffbewegung [MNRAS 249 (1991) 523] Beobachtete flache Rotationskurve Erwartet aus Verteilung der leuchtenden Materie

  8. Struktur einer Spiralgalaxie Dunkler Halo Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

  9. Dunkle Materie in Galaxienhaufen Ein gravitativ gebundenes System vieler „Teilchen” gehorcht dem Virialsatz Geschwindigkeitsmessung durch Dopplereffekt von Spektrallinien Massenabschätzung Coma Haufen

  10. Dunkle Materie in Galaxienhaufen 75 Jahre Dunkle Materie Fritz Zwicky: DieRotverschiebungvonExtragalaktischenNebeln Helv. Phys. Acta 6 (1933) 110

  11. Lichtablenkung durch Gravitation („Gravitationslinse”)

  12. Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen Galaxienhaufen Cl 0024+1654 [Hubble Space Telescope] Numerische Simulation

  13. Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & Röntgen)

  14. Bullet Cluster (1E 0657-56)

  15. Expandierendes Universum und Urknall Hubble’sches Gesetz vExpansion = H0 Abstand Hubble-Konstante H0= h 100 km s-1 Mpc-1 Messwert h = 0.72  0.04 1 Mpc = 3.26 106Lichtjahre = 3.08 1024cm Expansionsalter des Universums t0 H0-1 14 Milliarden Jahre

  16. Urknall und Expansion des Universums

  17. Hubble Diagramm Hubbles Originaldaten (1929) Supernovae vom Typ Ia als kosmologische Standardkerzen Scheinbare Helligkeit (Entfernung) Rotverschiebung (Fluchtgeschwindigkeit)

  18. Hubble Diagramm - Beschleunigte Expansion Beschleunigte Expansion Abgebremste Expansion (Normale Materie)

  19. Expansion verschiedener kosmologischer Modelle M = 0.3 L = 0.7 M = 0 Kosmischer Skalenfaktor a M = 1 M > 1 Zeit (Milliarden Jahre) -9 -14 -7 Heute Nach einer Vorlage von Bruno Leibundgut

  20. Neueste Supernova Daten Kowalski et al., Improved cosmological constraints from new, old and combined supernova datasets, arXiv:0804.4142

  21. Einsteins „Größte Eselei” Dichte gravitierender Masse & Energie Krümmungsterm ist sehr klein oder Null (Euklidische Raumgeometrie) Newton’sche Konstante Friedmann Gleichung für Hubbles Expansionsrate Yakov Borisovich Zeldovich 1914-1987 Kosmologische Konstante L (neue Naturkonstante) erlaubt statisches Universum durch „globale Antigravitation” • Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und • ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich • Vakuumfluktuationen • Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie • Vakuumenergie rvacäquivalent zu L

  22. Nullpunktsenergie der Quantenfelder Energieniveaus des harmonischen Oszillators Nichtverschwindende Nullpunktsenergie wegen Heisenberg’scher Unschärferelation: Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmt und also nicht gleichzeitig exakt Null Elektromagnetisches Feld: E und B nicht gleichzeitig Null wegen Unschärferelation Energiedichte im Grundzustand (Vakuum) ist Summe über unendliche viele Oszillatoren Nominelle Vakuumenergie der Quantenfelder + für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) - für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) Wie zu interpretieren ??? ∞ ∞

  23. Casimir Effekt (1948) Eine messbare Manifestation der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes Langwellige Feldmoden zwischen den Platten werden „verdrängt,” so dass dort die Vakuum- energie geringer ist als im freien Raum Hendrik Bugt Casimir (1909 -2000) Casimir Kraft zwischen parallelen Platten (Abstand d, Fläche A) Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)

  24. Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23%

  25. Periodensystem der Elementarteilchen Quarks Quarks Leptonen Leptonen Ladung +2/3 Ladung +2/3 Ladung -1/3 Ladung -1/3 Ladung -1 Ladung -1 Ladung 0 Ladung 0 1. Familie u u Up Up Down d Down d Elektron e e Elektron e-Neutrino ne e-Neutrino ne 2. Familie Charm c Strange s m Myon m-Neutrino nm 3. Familie t Top Bottom b Neutron Tauon t t-Neutrino nt Gravitation Schwache Wechselwirkung Proton Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung

  26. Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC) http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/2mass/XSC/jarrett_allsky.html

  27. SDSS Survey

  28. Strukturbildung durch Gravitationsinstabilität

  29. Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Materie Standard LCDM Modell Neutrinos mit Smn = 6.9 eV Structurbildung simuliert mit Gadget-Programm Würfelgröße 256 Mpc (heutiges Universum) Troels Haugbølle, http://whome.phys.au.dk/~haugboel

  30. Hubble Deep Field Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23%

  31. Alternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos Spin Standardteilchen Superpartner Spin 1/2 Leptons (e, ne, …) Quarks (u, d, …) Sleptons (e, ne, …) Squarks (u, d, …) 0 ~ ~ ~ ~ 1 Gluons W Z0 Photon (g) Gluinos Wino Zino Photino (g) 1/2 ~ 0 Higgs Higgsino 1/2 2 Graviton Gravitino 3/2 • Falls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil • Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”, • das einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt Neutralino = C1 Photino + C2 Zino + C3 Higgsino Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt

  32. „Erfinder” der Supersymmetrie Julius Wess (1934-2007) Direktor emeritus MPI Physik Bruno Zumino (geb. 1923)

  33. Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC) LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008 • Protonen werden mit den bisher • höchsten Energien zur Kollision • gebracht • Entdeckung neuer Teilchen wird • erwartet, z.B. Higgs-Teilchen und • die supersymmetrischer Partner • der normalen Materie

  34. Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2008

  35. Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino) Energie- deposition Kristall • Gemessen wird • Rückstoss-Energie • (einige keV) durch • Ionisation • Szintillation • Kryogenisch

  36. Suchexperimente für WIMPs COUPP PICASSO Wärme Phononen CDMS EDELWEISS CRESST ROSEBUD Ladung Licht DRIFT GERDA XENON LUX, ZEPLIN WARP, ArDM DEAP/CLEAN DAMA/LIBRA KIMS, XMASS

  37. Physik im Untergrund • Unterdrückung von Störsignalen • grundlegend für WIMP-Suche • Abschirmung kosmischer Strahlung • in Untergrundlabors Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

  38. CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen Materie

  39. DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs? Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor) beobachtet eine jährliche Modulation ihres Signals mit hoher statistische Signifikanz [Riv. N. Cim. 26 (2003) 1-73, arXiv:0804.2741 (2008)] • Detektor Stabilität ? • „Hintergrund Stabilität“ ?

  40. Suche nach Neutralinos als Dunkler Materie Direkte Methode (Labor-Experimente) • Gemessen wird • Rückstoss-Energie • (einige keV) durch • Ionisation • Szintillation • Kryogenisch Galaktisches Teilchen der dunklen Materie (z.B. Neutralino) Energie- deposition Kristall Indirekte Methode (Neutrino-Teleskope) Neutrinos hoher Energie (GeV – TeV) können gemessen werden Galaktische dunkle Materie- teilchen werden akkretiert Sonne Annihilation

  41. IceCube Neutrino Telescope at the South Pole • 1 km3 antarktisches Eis • mit Photosensoren instrumentiert • 40 Trossen von 80 installiert (2008) • Fertigstellung bis 2011 geplant

  42. ANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer

  43. Leuchtende Lebewesen der Tiefsee

  44. Selbst-Annihilation dunkler Materieteilchen

  45. Kann man die dunkle Materie sehen? GLAST Satellit Start 11. Juni 2008 Dunkle Materieteilchen können direkt „zerstrahlen” Der dunkle Halo der Galaxie könnte in hochenergetischer Gamma-Strahlung leuchten MAGIC, La Palma HESS Luftschauer Teleskop, Namibia

  46. Via Lactea Simulation der Bildung unserer Milchstraße Diemand, Kuhlen & Madau, http://www.ucolick.org/~diemand/vl

  47. Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Materie Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2008) • Rückstoßenergie • (wenige keV) • Gemessen durch • Ionisation • Szintillation • Kryogenisch • Suche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie • Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST) • Anti-Protonen (AMS, Pamela) • Positronen (AMS, Pamela) • Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde • (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)

  48. Some Dark Matter Candidates • Supersymmetric particles • Neutralinos • Axinos • Gravitinos Gauge hierarchy problem Little Higgs models Axions CP Problem of strong interactions Kaluza-Klein excitations Large extra dimensions Mirror matter Exact parity symmetry Sterile neutrinos Right-handes states should exist Wimpzillas (superheavy particles) Super GZK cosmic rays MeV-mass dark matter Explain cosmic-ray positrons Q-balls Why not? Primordial black holes

  49. Pizza Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Neutrinos 0.1-2% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23%

  50. Hubble Deep Field Nicolaus Copernicus (1473-1543)

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