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Die dunkle Seite des Universums Manfred Lindner Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg Physik am Samstagmorgen, 28. April 2012
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Die dunkle Seite des Universums - Max-Planck-Institut … · Elektromagnetismus - - Starke Wechselwirkung - - Schwache Wechselwirkung X - Gravitation X X M. Lindner, MPIK Dunkle Materie

Sep 17, 2018

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Die dunkle Seite des Universums

Manfred Lindner

Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

Physik am Samstagmorgen, 28. April 2012

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M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 2

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Sehen wir eigentlich alles?

Versteckte Materie? Prinzipiell unsichtbare Materie?

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“Sehen” aus physikalischer Sicht

Abbild im Gehirn Realität

Austausch von Lichtteilchen (Photonen) elektrisch geladene Teilchen

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Sehhilfen Optische Instrumente: Brillen, Teleskope, ... Elektronische Geräte:

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Computer-aufbereitete Bilder: Verstärkung, Frequenzänderung Austausch von Photonen elektrisch geladenen Teilchen gibt es ungeladene Teilchen?

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Mit mit Hilfe der Gravitation sehen Historische Methode zur Suche neuer Planeten: Vergleich von berechneten und beobachteten Bahnen bekannter Planeten Position neuer Objekte

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Dynamische Evidenz für Dunkle Materie F. Zwicky 1933 !  Probleme bei Galaxiencluster galaktische Rotationskurven

Galaxien haben ein großes DM-Halo Analog: Vergleich von simulierten und realen Strukturen zeigen das selbe Problem auf größten Skalen

Erwartung

Beobachtung

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Kollidierende Galaxiencluster = Sterne, Gas, .., DM ; 106 km/h!!!!!!!!!!Unterschiedliche Streuung von!- sichtbarer Materie Röntgenstrahlung im Zentrum!- dunkler Materie durchdringt ungebremst!

Das Bullet Cluster (1E 0657-56)

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Kollidierende Galaxiencluster = Sterne, Gas, .., DM ; 106 km/h!!!!!!!!!!Unterschiedliche Streuung von!- sichtbarer Materie Röntgenstrahlung im Zentrum!- dunkler Materie durchdringt ungebremst!!  Versatz zwischen sichtbarer (baryonischer) Materie (rot) und dem Gravitationszentren (blau)!

Das Bullet Cluster (1E 0657-56)

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Eine weitere Methode: Gravitationslinsen

gravitative Lichtablenkung

leuchtende oder Dunkle Materie

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M. Lindner, MPIK Dunkle Materie 13

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Gravitatioslinsen Materieverteilung Einstein: ART !

Galaxy cluster SDSS J1004+4112 HST AFT/WFC!

10"!

Abel 2218c Galaxy cluster gravitational lens

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•  Galaktische Rotationskurven •  Galaxiencluster & GR lensing •  Bullet Cluster •  Geschwindigkeitsdispersion �

von Galaxien •  Kosmischer Mikrowellenhintergrund •  ,,Baryon Acoustic Oscillations’’ •  Typ Ia Supernovae Abstandsmessungen •  Big Bang Nukleosynthese (BBN) •  Lyman-alpha forest •  Kosmische Strukturbildung •  …

Konsistentes Bild: Sehr viel dunkle Materie!

Weitere Hinweise für Dunkle Materie

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Kosmische Massenbilanz

73% Energiedichte des Raums: Kosmologische Konstante, ...

23% Dunkle Materie aus neuen Teilchen: WIMPs, ....

Normale Materie: 0,5% sichtbar 3,5% nicht leuchtend bis zu 4% in Neutrinos

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Unsichtbares sichtbar gemacht: Neutrinos

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Neutrinos: Elektrisch neutrale Teilchen

β-Zerfall (Radioaktivität)

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W.Pauli:

Energie- & Impuls-Erhaltung beim β-Zerfall: neues Teilchen = Neutrino unsichtbar, da Q=0

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Das Double Chooz Experiment

Chooz Reaktoren A+B: "  8.5 GWthermal

Nahdetektor: 410m, 120 mwe ~500 ν’s/Tag

Ferndetektor: 1050m, 300mwe ~70 ν’s/Tag

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Kernreaktoren als Antineutrinoquelle •  Reaktoren haben einige Gigawatt (GW) thermische Leistung •  Einige Prozent davon

fliegen in Form von Antineutrinos weg 2*1021ν/s O(1 kW/m2) @Zaun

•  Energiespektrum der Neutrinos berechenbar und messbar:

a) e--Spektrum von U235, Pu239, Pu241

b) Nahdetektor = Referenzmessung

_

_

Beispiel: Spaltung von U235 !

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Anti-Neutrino-Nachweis: Inverser β-Zerfall

n

νe

511 keV 511 keV

e+

Σγ ~ 8 MeV

Gd

promptes e+-Signal

Verzögertes Photon vom n-Einfang! Gadolinium doping!

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+ p e+ + n νe%

! Beobachtung der charakteristischen Signatur mit Photovervielfachern

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Antineutrinos sichtbar gemacht

- Ereignisse in 4 Monaten es gibt ‘unsichtbare Teilchen’ inverse Streuprozesse machen diese Teilchen sichtbar!!- Es gibt 330 Neutrinos / cm3 im gesamten Universum! kleiner Beitrag zur Dunklen Materie! andere unsichtbare Teilchen Dunkle Materie!

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Woraus besteht Dunkle Materie?

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•  Standard Model der Teilchenphysik ist nicht komplett ,,Beyond the Standard Model’’ (BSM)

•  Viele BSM-Szenarien sagen neue Teilchen vorher die perfekte Kandidaten für Dunkle Materie sind!

•  Erlaubte Wechselwirkung für DM-Teilchen: WIMP = Weakly Interacting Massive Particle GIMP = (only )Gravtiationally Interacting Massive Particle

Teilchenphysik und Dunkle Materie

WIMP GIMP Elektromagnetismus - -

Starke Wechselwirkung - -

Schwache Wechselwirkung X -

Gravitation X X

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Das WIMP-Wunder •  WIMPs motiviert durch BSM-Physik Massen O(100 GeV)

•  Produktion im Urknall Wunder: ~ korrekte Häufigkeit ergibt sich aus dem Urknall

•  Kandidaten müssen hinreichend langlebig sein (> tUniversum) OK

•  Synergien mit Beschleunigerphysik

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Der WIMP-Wind

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Dunkle Materie in unserer Galaxie

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Der WIMP Wind •  Unser Sonnensystem ~8.5 kpc vom Zentrum der Galaxie •  ~ 220 km/s “Fallgeschwindigkeit” in Richtung von

Cygnus “WIMP-Wind” = Teilchenfluss (Masse, …)

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Wie man Dunkle Materie sichtbar macht

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Eine Option: Dirkter Nachweis durch Streuung

•  WIMPs sind wie unsichtbare Billardkugeln die selten mit sichtbaren Kugeln (Atomen) wechselwirken

•  Maximaler Impulsübertrag: Masse der sichtbaren Kugeln ~ WIMP Masse

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Erschwernis: Umweltradioaktivität weitere quasi unischtbare Kugeln die nichts mit DM zu tun haben - von der Bande (Detektormaterial) -  Vom Tisch (Reinheit der Atome) Untergrundunterdrückung: - ultra-reine Materialien - Unterdrückung der Höhenstrahlung

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!Suche nach extrem seltenen "DM Streuereignissen vom "WIMP–Wind über dem Untergrund!

!Signal: Genügend aktive Detektormasse "- Licht Szintillation Lichtsensoren @ Oberfläche"- Ionisation geladene Teilchen Drift zur Oberfläche "- Phononen Temperaturanstieg " Kombination zur besseren Diskriminierung " geeignete Flüssigkeit: Flüssiges Xenon!Niedriger Untergrund "- Untergrundlabor vermeide kosmogenen Teilchenfluss "- Extrem saubere Detektorkomponenten " vermeide minimale Radioactivität (U, Th, K, Tl, Kr85, Rn)"

!- Detektor und Target-Material"!- Aktive Untergrundunterdrückung (fiducialization TPC)"

!

Direkter Nachweis von Dunkler Materie

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WIMP-Streuung: 1) direktes Lichtsignal S1 2) drift der Elektronen zu Gas-phase 1.74 mm/µs!3) Zweites Lichtsignal S2 !

!!!!!! Exzellente 3D Positionsbestimmung:S2 hit pattern δr < 3mm Drift-Zeit δz < 300µm!

Zwei-Phasen Xenon TPC Obere PMTs (Lichtsensoren)!

Untere PMTs (Lichtsensoren)!

Anode!

Kathode!

S1!S2!

•  Drift-Zeit z!•  PMT-Signalverteilung

x,y!•  Pulshöhe, Form, …!

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Die XENON Kollaboration

University of California Los Angeles Rice University Houston Purdue University Columbia University New York Universidade de Coimbra Subatech Nantes NIKHEF Amsterdam Willhelms Universität Münster

J. Gutenberg-Universität Mainz Max-Planck-Institut Heidelberg Universität Zürich Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN e Università di Bologna Weizman Institute Rehovot Jiao Tong University Shanghai

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XENON100 und XENON1T am LNGS Abschirmung Gran Sasso Untergrundlabor in Italien

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XENON1T

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Bedeutung •  Der direkte Nachweis von Dunkler Materie ist ein

wichtiger Test der indirekten Hinweise •  Bedeutet, dass normale Materie nur ein geringer Teil

des Kosmos ist •  Noch mehr Dunkle Energie… •  Ganz wichtige Konsequenzen für

- Elementarteilchenphysik - Kosmologie - Selbstverständnis der Menschheit

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