Einteilung der VL - deboer/html/Lehre/... · dark matter is weakly interacting! Rot: sichtbares ... Jodi Cooley, SMU, CDMS ... beibei T= 0,017 KT= 0,017 K WIMP WIMP Ge -Kern
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Wim de Boer, Karlsruhe
Kosmologie VL, 31.01.2013 1
Einteilung der VL
1. Einführung
2. Hubblesche Gesetz
3. Antigravitation
4. Gravitation
5. Entwicklung des Universums
6. Temperaturentwicklung
7. Kosmische Hintergrundstrahlung
8. CMB kombiniert mit SN1a
9. Strukturbildung
10. Neutrinos
11. Inflation und GUT
12. Direkte Suche nach DM
13. Indirekte Suche nach DM
HEUTE
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CMB baryonische Materie << gesamte Materie
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Direkter Nachweis der DM
( Elastische Streuung an Kernen)
Indirekter Nachweis der DM
( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Nachweismethoden der DM
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Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von
Licht ändert sich
beim Durchgang durch
ein Gravitationsfeld
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Gravitationslinsen viel stärker als
von sichtbarer Materie erwartet
„Einstein Ring“ wenn Quelle, Linse
und Beobachter perfekt ausgerichtet
HST, www.discovery.com
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Gravitationslinsen
Segmente der Einsteinringe bei nicht perfekter Ausrichtung
Spektra zeigen, dass Segmente aus EINER Quelle stammen
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Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
Observations with bullet cluster:
•Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas
•Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter
from weak gravitational lensing
•Distributions are clearly different after collision->
dark matter is weakly interacting!
Rot:
sichtbares
Gas
Blau: dunkle Materie
aus Gravitations-
potential
dunkel
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Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
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Center of the Coma Cluster by
Hubble space telescope ©Dubinski
Discovery of DM in 1933
Zwicky, Fritz (1898-1974)
Zwicky notes in 1933 that
outlying galaxies in Coma cluster
moving much faster than mass
calculated for the visible galaxies
would indicate
DM attracts
galaxies with
more force->
higher speed.
But still bound!
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Dunkle Materie in Galaxien
Die Rotationskurven von
Spiralgalaxien sind weitgehend flach,
während die leuchtende Materie eine
abfallende Kurve erwarten lässt.
Erklärung: dunkle Materie.
Spiralgalaxien bestehen aus einem
zentralen Klumpen und einer sehr
dünnen Scheibe leuchtender
Materie, welche von einem nahezu
sphärischen, sehr ausgedehnten
Halo umgeben ist.
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Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr
v1/r
mv2/r=GmM/r2
Milchstraße
Cygnus
Perseus
Orion Sagittarius
Scutum Crux
Norma
Sun (8 kpc from center)
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Gibt es dunkle Materie in der Milchstraße?
Rotationcurve
Solarsystem
rotation curve
Milky Way 1/r
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Estimate of DM density
DM density falls off like 1/r2 for v=const.
Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”
(for 100 GeV WIMP)
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Kandidaten der DM
Problem: max. 4% der Gesamtenergie
des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.
Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen
Kandidaten möglich. Rest der DM muss
aus nicht-baryonischen Materie bestehen.
Probleme:
•ν < 0.7% aus WMAP Daten
kombiniert mit Dichtekorrelationen
der Galaxien.
•Für kosmische Strings keine
Vorhersagekraft.
•Abweichungen von Newtons
Gravitationsgesetz nicht plausibel.
In Supersymmetrie sind die WIMPS
supersymmetrische Partner der CMB
d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
†
†
?
?
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Kosmologie VL, 31.01.2013 14
Direkter Nachweis von WIMPs
Wir gehen davon aus, dass
DM ein Neutralino oder WIMP ist.
Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse
(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mit
v 10-3 c und m 100 GeV
Geschwindigkeitsverteilung der WIMPs
in einem Gravitationsfeld folgt wie
bei Gas in der Atmosphäre
Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT
mit häufigster Wert v=270 km/h
χ χ
ER ~ Ekin (1 - cos)
Neutralino kann wegen
R-Paritätserhaltung
NUR elastische Streuung
an Kernen durchführen
Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist
koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden
Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p
größer als Kernradius, so es kann einzelne
Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an
den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-
querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)
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Direkter Nachweis von WIMPs
Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kern
kompliziert:
Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant,
aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielen
Dann wird abhängig vom Spin S der Kerne im
Detektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz der
Nukleonen mit Spin up und Spin down.
Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-
übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüber
Kernradius R ist oder
Kohärenzbedingung q · R « 1
Impulstransfer q = mv = A ·10-3 GeV
Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓
~ 7 GeV-1· A⅓
Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50
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Direkter Nachweis von WIMPs
Für Neutralinomassen von ca. 50 GeV wird die Empfindlichkeit maximal,
weil dann Kern und WIMP ähnliche Masse haben und der Impulsübertrag
Maximal wird. Spinunbh. Wirkungsquerschnitt ist
(Z=Ladung, A=Anz. Nukl, fp und fn sind Formfaktoren)
Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung
wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte
der Massenverteilung)
Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenz
der Streuung Z2 oder (A-Z)2 gering und spinabh. Streuung wird wichtig
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Neutralino-Quark elastic scattering
scalar interaction
5 5( ) ( ) ( ) ( ) ....q qL f qq d q q
spin-dep. interaction
• The other terms are velocity-dependent contributions and can be
neglected in the non-relativistic limit for the direct detection.
• The axial vector currents are proportional to spin operators
in the non-relativistic limit.
Effective
Lagrangian
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Direct detection event rates
Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration
=5,3
g/cm3
A=73 =2,9
g/cm3
A=28
=5,9
g/cm3
A=131
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Kosmologie VL, 31.01.2013 23
Direct Dark Matter Detection
CRESST
ROSEBUD
CUORICINO
DAMA
ZEPLIN I
UKDM NaI
LIBRA
CRESST II
ROSEBUD CDMS
EDELWEISS
XENON
ZEPLIN II,III,IV
HDMS
GENIUS
IGEX
MAJORANA
DRIFT (TPC)
ER
Phonons
Ionization Scintillation
Large spread of technologies:
varies the systematic errors, important if positive signal!
All techniques have equally aggressive projections for future performance
But different methods for improving sensitivity
L. Baudis
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Kosmologie VL, 31.01.2013 25
Diskutiere nur 4 Beispiele:
EDELWEISS und CDMS
(Halbleiterdetektoren:
Ionisation und Wärme)
DAMA/Libra (Szintillator)
XENON (Flüssigkeit:
Ionisation und Szintillation)
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WärmesignalWärmesignal
LadungssignalLadungssignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzur
LadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristall
beibei T= 0,017 KT= 0,017 K
WIMP WIMP
Ge-Kern
WärmesignalWärmesignal
LadungssignalLadungssignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzur
LadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristall
beibei T= 0,017 KT= 0,017 K
WIMP WIMP
Ge-Kern
Der Edelweiss Detektor
Messprinzip eines Halbleiter-Bolometers. Kommt es zu einem
elastischen Stoß eines WIMP-Teilchens mit einem Atomkern des
Germanium-Kristalls führt der Kern-Rückstoß zu einer
Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer
registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in
seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den
Oberflächenelektroden ausgelesen wird, aber viel Rekomb., daher
bei Neutronenstreuung weniger Ladung als bei Comptonstr.
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Kalibration eines Ge-Bolometers
durch Bestrahlung mit einer 252Cf-
Neutronenquelle: Deutlich
erkennbar sind zwei
Ereignispopulationen, die durch das
Verhältnis von Ionisations- zu
Rückstoß-Energie separiert werden
können. Die auf das
Ionisationssignal angelegte
Energieschwelle (grüne Kurve)
entspricht einer Rückstoßenergie
von 3.5keV. Die Bänder
beschreiben die Bereiche, in denen
90% der Elektron- bzw. Kern-
Rückstöße liegen.
Kalibration
1 per Definition
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Quench-Faktor
Verhältnis von Ionisation/Rückstoßenergie ist
per Definition 1 für Elektronen und Gammas
Für Neutronen (und WIMPS) ist dieses Verhältnis
kleiner als 1 („quenched“).
Grund: Neutronen haben nur starke Wechselwirkung
und stoßen nur mit dem Kern, nicht den Elektronen.
Der Rückstoß des Kerns oder seine Fragmente
erzeugen eine sehr hohe Dichte an Ionisation, die
zu einer starken Rekombination von Elektronen und
Löcher und daher weniger Ionisation führt.
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SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur
Messung von minimalen Änderungen der magnetischen
Feldstärke (bis 10-14T !)
Phonon measurement in CDMS
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-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)
-hohe Dichte gute Selbstabschirmung
kompakte
Detektoren
XENON
-hohe Massenzahl
-niedrige Energieschwelle der
Rückstoßenergie
-gute Ionisations- und
Szintillationseigenschaften
-Betriebstemperatur „leicht“
zu halten (180 K)
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The XENON100 Experiment (100 kg)
Großer Vorteil:
100 kg erlaubt
äußere Lage als aktives
Veto zu benutzen:
Gammas der passiven
Abschirmung werden
durch Xenon absorbiert
und Neutronen werden
durch Vielfachstreuung
erkannt
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Aktive Abschirmung
„Fiducial mass“ 48 kg.
Nachteil von 100 kg:
Drift der
Ionisation über langer
Abstand gibt Verluste durch
Verunreinigungen:
Ionisationssignal ortsabhängig
Brauche sehr hohe Reinheit!
Jetzt im Griff.
Xenon1000 in Vorbereitung
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Latest Xenon100 limits
SUSY
expectation
100 kg Xenon
erlaubt Abschirmung
durch äüßere Xenon
Schicht
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Kosmologie VL, 31.01.2013 45
Annual Modulation as unique signature?
June June Dec Dec
95
97
99
101
103
105
-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
±2%
0
25
50
75
100
125
-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
Background
WIMP Signal
June June Dec
Annual modulation: v, so signal in June larger than
in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).
June
v0
galactic center
Sun 230 km/s
Dec.
L. B
au
dis
, C
AP
P2
00
3
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Daten bis 2008
Modulation nur in 2-6 keV
Region -> leichte WIMPs
(Signal sehr nah an der
Schwelle des Detektors!!)
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a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache
Rotationskurven und Gravitationslinsen
b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einem
Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch
höhere Empfindlichkeit.
c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA
(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)
Zusammenfassung
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