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Evidenz für dunkler Materie

Evidenz für dunkler Materie. Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik. Christian Pabst. Inhaltsverzeichnis. Phänomene Rotationskurven von Spiralgalaxien Bewegung in Galaxiehaufen Heißes Gas in Galaxie Clustern Effekte durch Gravitationslinsen CMB Erklärung der DM

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Evidenz für dunkler Materie

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Presentation Transcript

  1. Evidenz für dunkler Materie Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik Christian Pabst

  2. Inhaltsverzeichnis • Phänomene • Rotationskurven von Spiralgalaxien • Bewegung in Galaxiehaufen • Heißes Gas in Galaxie Clustern • Effekte durch Gravitationslinsen • CMB • Erklärung der DM • Baryonische Materie (MACHO) • Heiße Dunkle Materie (HDM) • Neutrinos • Kalte Dunkle Materie (CDM) • WIMPs (LSP, primordiale BH) • Axionen • MOND (Modified Newton Dynamics) • Zusammenfassung

  3. Rotationskurven von Spiralgalaxien Aus Stabilität der Planetenbahnen Fehlende Masse Aus Messungen v(r) = konst.

  4. HALO Rotationskurven von Spiralgalaxien => Halo mit HALO ca. 90% der Galaxie

  5. Galaxienhaufen Bewegung in Galaxienhaufen Virialsatz  10 mal mehr Masse als sichtbar

  6. Röntgenstrahlung von Gasen Röntgenstrahlungdurch heißes Gas schnelle Gasteilchen Massenbestimmung des Galaxienhaufen weil Gas an Galaxienhaufen gebunden M > MVIS Der Galaxienhaufen Abell 3528

  7. Gravitationslinsen Massereiche Objekte führen zur Krümmung des Raums (allg. Relativitätstheorie) Die aus der Krümmung errechnete Masse M > MVIS Verzerrung durch Galaxienhaufen Abell 2218

  8. CMB COBE Planck-Spektrum Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen bester fit mit ΛCDM: Ω0= 0,99±0,12, Ωm = 0.3, ΩΛ = 0,7

  9. Baryonische Materie Sichtbare Masse Aufnahme von D/H Radiowellen von einem Quasar Aus Nukleosynthese (für H0 = 70 km s-1 Mpc-1) Dunkle Materie in HALOS (für H0 = 50 km s-1 Mpc-1)

  10. Zusammensetzung der Galaxie bzw. Universum H(t) = Hubbel Konstante

  11. MACHOs M Zwerge 0,08 MS Gasmasse die IR strahlt zu wenig Strahlung gemessenkein Kandidat für DM

  12. MACHOs Weiße Zwerge 0,5 – 1,2 MS zu wenig Zeit für Entwicklung  kein Kandidat für DM Planetarischer Nebel NGC 2440 im Sternbild Puppis

  13. MACHOs Neutronensterne Schwarze Löcher 1,4 MS 109 MS Anzahl der schweren Elemente begrenzt die Anzahl der NS und BH  Kein Kandidaten für DM Dieses Bild der Galaxie Pictoris A zeigt den Jet eines Schwarzen Loches 'in Echt'. Das Bild oben wurde im Bereich der Röntgenstrahlung vom Chandra X-ray Weltraum-Observatorium der NASA erstellt. Oben rechts trifft der Jet auf eine Gaswolke, die er zum Leuchten anregt. Der Pulsar im Krebsnebel (Pfeil). Er rotiert 30 mal pro Sekunde.

  14. MACHOs Braune Zwerge >0,08 MS rel. hohe Dichte und wenig IR 20% von Halo mit –12% - 30% Fehler  Kandidat für DM Begleiter des hellen Sterns Epsilon Indi im Sternbild Indus (Indianer)

  15. MACHOs Planten + Kometen Masseanteil zur Sonne zu gering  Kein Kandidat für DM Kometen Hale-Bopp Jupiter

  16. Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrinos lange heißer Kandidat für DM Abschätzung Neutrinomasse Weiter Einschränkung durch Galaxiebildung Mit Neutrinos als Fermi-Gas bei T = 0K mit

  17. Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrino-Absorption Wenn leicht Neutrinos den gal. HALO anfüllen, dann scharfe Absorptionslinien für höchstenergetische Neutrinos Hadronen und Leptonen Argumente gegen Neutrinos Exp. Bestimmung der Neutinomasse (Tritium-ß-Zerfall) mνe< 1eV Neutrino - Oszillationen

  18. Heiße Dunkle Materie (HDM) • Entstehung des Universums „top-down“-Szenario Bildung von Strukturen durch Quantenfluktuation krit. Masse für Bildung von Strukturen bei 1016 Sonnenmassen mit Neutrinos (m = 20eV)  Größe von Superhaufen nötig  Erst Superhaufen dann Galaxien „top-down“-Szenario Aus Messung , darum Neutrinos kein Kanditat für DM „bottom-up“-Szenario favorisiert  CDM Durch CMB-Messung (COBE) bestätigt

  19. Supersymmetrie Probleme des SM: • Hierarchie Problem: wieso ist MW\MP≈10-17 • Natürlichkeitsproblemm2H = m2H;0+O(Λ2) nackte Masse Selbstenergie Lösungsansätze:GUT, SUSY, String-Theorie, usw.

  20. Supersymmetrie Higgs Boson Eich Boson Einführung von Loop Korrekturen

  21. Supersymmetrie SUSY-Algebra Die SUSY Algebra enthält Pμ, Raum-Zeit Translationen. Aus der Eichinvarianz unter dieser Transformation folgt die Einsteinsche Theorie der Gravitation. (SUGRA) • |A > wird durch supersymmetrische Transformationen in |B > überführt • Superpartner haben die gleiche Masse • Superpartner haben dieselben Eichquantenzahlen (Ladung, schwacher Isospin, Farbe, Masse) Repräsentanten der SUSY sind Supermultipletts

  22. Supersymmetrie MSSM  minimale Anzahl neuer Teilchen und WW

  23. R-Parität Particles (SM) = 1, Sparticles(SUSY) = -1 • Keine Mischung zwischen PR = 1 und PR = -1 Teilchen • Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt werden • Jeder Wechselwirkungsvertex muss eine gerade Anzahl (normal 0 oder 2) PR=-1 Sparticles haben. • Ein schweres supersymmetrisches Teilchen kann in Leichtere zerfallen • Das leichteste Sparticle (LSP) muß stabil sein • Jedes Sparticle außer das leichteste zerfällt in einen Zustand mit einer ungeraden Anzahl LSP (normal 1) • Supersymmetrische Teilchen sollte man daran erkennen können, dass viel Energie fehlt, die vom LSP weggetragen wird.

  24. LSP Neutralino: Die neutralen fermionischen Partner der neutralen Eichbosonen W*0und B*0mischenmit den neutralen fermionischen Partnern vom Higgs-Boson H*01;2.Die vier Neutralinos (χ*0i) sind Eigenzustände der Diagonalisierten Massenmatrix

  25. LSP Es gilt: M χ1 <M χ2 <M χ3<M χ4 Das Neutralinos (χ*00) ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP), solang R-Parität erhaltenund Gravitino nicht leichter. Idealer Kandidat für CDM

  26. primordiale schwarze Löcher wäre guter Kandidat für CDM schweres WIMPs  ρ = 1048 g/cm3 m = 1018 g oder 10-15mS r = 10-12 m • Entstehung: • spontanen Symmetriebrechungen eines Skalarfeldes im Frühphase des Universums • kollabierte Gravitationswellen, die super-kritischen Brill- Wellen Akkretion durch Mini–Löchern (pri. BH)  Saatkörner für Galaxien (spekulativ) • Zerfall: • Quanteneffekte  Löcher würden schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung)

  27. Feld γ A γ γ A Axionen CP Verletzung bei K0-Zerfall QCD existieren Terme,in der starken WW, die CP verletzend sind Fürs Neutron: elekt. Dipolmoment = magnetische Dipolmoment (starkes CP-Problem) Erklärung: zusätzlich Felde und Symmetrien (Peccei Quinn Symmetrie UPQ(1) ), die bei einer Skala fa spontan gebrochen wird  Pseudo-Goldstone Boson  Axions Kopplungen des Axions sind proportional zu 1/fa, sehr schwach Zwei Photonen Kopplung (ähnlich π0)

  28. Axionen Masse der Axione über Zerfallskonstante fa ,Vakuumserwartungswert eines Higgsfeldes, bestimmt. • Man kann sich folgende Grenzen für die Masse der Axionen überlegen: • Bei m ≈ 1 keV würde die Sonne durch Emission von Axionen zu viel Energie verlieren und zu schnell abkühlen. • Bei m > 10-2 eV könnte das Heliumbrennen in roten Riesen nicht einsetzen. • Aus der Breite des Neutrinopulses der Supernova SN 1987A ergibt sich eine m < 10-3 eV • Damit die Axionendichte der kritischen Dichte des Universums entspricht, m ≈ 10-5eV ρ = 1010 Teilchen pro cm³ 10-5eV < mA < 10-3eV Problem: noch nicht nachgewiesen

  29. MOND Modified Newton Dynamics

  30. Zusammenfassung Universum besteht aus: Galaxie besteht aus: Aussichtreichster Kandidat für DM B Zwerge LSP

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