Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Geheimnis der dunklen Materie Geheimnis der dunklen Materie Das Geheimnis der Dunklen Materie Woraus besteht das Universum? Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008
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% - PowerPoint PPT Presentation
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Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Geheimnis der dunklen MaterieGeheimnis der dunklen Materie
Das Geheimnis der
Dunklen Materie
Woraus besteht das Universum?
Das Geheimnis der
Dunklen Materie
Woraus besteht das Universum?
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München
50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 200850-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
PizzaPizza
Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
NeutrinosNeutrinos 0.10.12%2%
DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%
Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Struktur von SpiralgalaxienStruktur von Spiralgalaxien
Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891891
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
SonnensystemSonnensystem
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
„„Rotationskurve” des SonnensystemsRotationskurve” des Sonnensystems
Kepler’sches GesetzKepler’sches Gesetz
dtanAbsMG
v ZentralNewtonBahn
dtanAbsMG
v ZentralNewtonBahn
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Galaktische Rotationskurven aus RadiobeobachtungenGalaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen
Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Radiobeobachtungendurch Radiobeobachtungen der Wasserstoffbewegungder Wasserstoffbewegung [MNRAS 249 (1991) 523][MNRAS 249 (1991) 523]
Erwartet aus Erwartet aus VerteilungVerteilungder leuchtenden der leuchtenden MaterieMaterie
Spiralgalaxie NGC 3198 mit Spiralgalaxie NGC 3198 mit überlagerten Konturen der überlagerten Konturen der Wasserstoff-SäulendichteWasserstoff-Säulendichte [ApJ 295 (1985) 305][ApJ 295 (1985) 305]
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Struktur einer SpiralgalaxieStruktur einer Spiralgalaxie
Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Dunkler HaloDunkler Halo
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Coma HaufenComa Haufen
Dunkle Materie in GalaxienhaufenDunkle Materie in Galaxienhaufen
GeschwindigkeitsmessungGeschwindigkeitsmessungdurch Dopplereffekt vondurch Dopplereffekt von
SpektrallinienSpektrallinien
MassenabschMassenabschäätzungtzung
Ein gravitativ gebundenesEin gravitativ gebundenesSystem vieler „Teilchen”System vieler „Teilchen”gehorcht dem Virialsatzgehorcht dem Virialsatz
gravkin EE2 gravkin EE2
rmMG
2mv
2 rN2
r
mMG2
mv2 rN
2
1rN
2 rMGv 1rN
2 rMGv
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Dunkle Materie in GalaxienhaufenDunkle Materie in Galaxienhaufen
Kosmischer Kosmischer Skalenfaktor aSkalenfaktor a
HeuteHeute1414
MM = 0 = 0
99
MM = 1 = 1
77
MM > 1 > 1
MM = 0.3 = 0.3
= 0.7= 0.7
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Neueste Supernova DatenNeueste Supernova Daten
Kowalski et al.,Kowalski et al.,Improved cosmological constraints from new, old andImproved cosmological constraints from new, old andcombined supernova datasets, arXiv:0804.4142combined supernova datasets, arXiv:0804.4142
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
• Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen undQuantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlichihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich VakuumfluktuationenVakuumfluktuationen• Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende EnergieGrundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie
• Vakuumenergie Vakuumenergie vacvac ääquivalent zu quivalent zu
Dichte gravitierender Masse & EnergieDichte gravitierender Masse & Energie KrümmungstermKrümmungstermist sehr klein oder Nullist sehr klein oder Null(Euklidische Raumgeometrie)(Euklidische Raumgeometrie)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Nullpunktsenergie der QuantenfelderNullpunktsenergie der Quantenfelder
Energieniveaus des harmonischen OszillatorsEnergieniveaus des harmonischen Oszillators
n21
En
n21
En
Nichtverschwindende NullpunktsenergieNichtverschwindende Nullpunktsenergiewegen Heisenberg’scher Unschärferelation:wegen Heisenberg’scher Unschärferelation:Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmtOrt und Impuls nicht gleichzeitig bestimmtund also nicht gleichzeitig exakt Nullund also nicht gleichzeitig exakt Null
Elektromagnetisches Feld: Elektromagnetisches Feld: E und B nicht gleichzeitig Null E und B nicht gleichzeitig Null wegen Unschärferelationwegen Unschärferelation
Energiedichte im Grundzustand (Vakuum) istEnergiedichte im Grundzustand (Vakuum) istSumme über unendliche viele OszillatorenSumme über unendliche viele Oszillatoren
n
n22
22BE
n
n22
22BE
Nominelle Vakuumenergie der QuantenfelderNominelle Vakuumenergie der Quantenfelder für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.)für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.)für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) Wie zu interpretieren ???Wie zu interpretieren ???
∞∞∞∞
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Casimir Effekt (1948)Casimir Effekt (1948)
Hendrik Bugt CasimirHendrik Bugt Casimir(1909 (1909 2000)2000)
Eine messbare ManifestationEine messbare Manifestation der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldesder Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes
Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)
2
47
4
2
cm1
Adm1
N103.1Ad
c240
F
2
47
4
2
cm1
Adm1
N103.1Ad
c240
F Casimir Kraft zwischen parallelenCasimir Kraft zwischen parallelen
Platten (Abstand d, Fläche A)Platten (Abstand d, Fläche A)
Langwellige FeldmodenLangwellige Feldmodenzwischen den Plattenzwischen den Plattenwerden „verdrängt,”werden „verdrängt,”so dass dort die Vakuum-so dass dort die Vakuum-energie geringer ist alsenergie geringer ist alsim freien Raumim freien Raum
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
PizzaPizza
Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
NeutrinosNeutrinos 0.10.12%2%
DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%
Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen
Neutrinos mit Neutrinos mit mm = 6.9 eV = 6.9 eVStandard Standard CDM ModellCDM Modell
Structurbildung simuliert mit Gadget-ProgrammStructurbildung simuliert mit Gadget-ProgrammWWürfelgrößeürfelgröße 256 Mpc (heutiges Universum) 256 Mpc (heutiges Universum)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Hubble Deep FieldHubble Deep Field
Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
NeutrinosNeutrinos 0.10.12%2%
DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%
Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Alternative zu schweren Neutrinos: NeutralinosAlternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos
Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrtjedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt
• Falls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabilFalls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil• Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”,Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”, das einem schweren Majorana-Neutrino ähneltdas einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt
Neutralino = CNeutralino = C11 Photino + C Photino + C22 Zino + C Zino + C33 Higgsino Higgsino
1/21/2 Leptons (e, Leptons (e, ee, …), …)
Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)
11 GluonsGluonsWW
ZZ00
Photon (Photon ())
00
22
HiggsHiggs
GravitonGraviton
SpinSpin StandardteilchenStandardteilchen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
„„Erfinder”Erfinder” der Supersymmetrie der Supersymmetrie
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC)Collider (LHC)
LHC am CERN (Genf)LHC am CERN (Genf)Betrieb ab 2008Betrieb ab 2008
• Protonen werden mit den bisherProtonen werden mit den bisher hhööchsten Energien zur Kollisionchsten Energien zur Kollision gebrachtgebracht
• Entdeckung neuer Teilchen wirdEntdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.B. Higgs-Teilchen underwartet, z.B. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partnerdie supersymmetrischer Partner der normalen Materieder normalen Materie
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Simulation einer Proton-Proton Kollision am Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC LHC
LHC am CERN (Genf)LHC am CERN (Genf)Betrieb ab 2008Betrieb ab 2008
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Suche nach Neutralinos als Dunkler MaterieSuche nach Neutralinos als Dunkler Materie
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Physik im UntergrundPhysik im Untergrund
• UnterdrUnterdrückung von Störsignalenückung von Störsignalen grundlegend für WIMPgrundlegend für WIMP-Suche-Suche• Abschirmung kosmischer StrahlungAbschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlaborsin Untergrundlabors
Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
CRESST Experiment zur Suche nach der CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen MaterieDunklen Materie
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs?DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs?
Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor)Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor)beobachtet eine jbeobachtet eine jährliche Modulation ihres Signals mitährliche Modulation ihres Signals mithoher statistische Signifikanz hoher statistische Signifikanz [[Riv. N. Cim. 26 (2003) 1Riv. N. Cim. 26 (2003) 17373, , arXiv:0804.2741 (2008)]arXiv:0804.2741 (2008)]
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
IceCube Neutrino Telescope at the South PoleIceCube Neutrino Telescope at the South Pole
• 1 km1 km33 antarktisches Eis antarktisches Eis mit Photosensoren instrumentiertmit Photosensoren instrumentiert• 40 Trossen von 80 installiert (2008)40 Trossen von 80 installiert (2008)• Fertigstellung bis 2011 geplantFertigstellung bis 2011 geplant
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
ANTARES – Neutrinoteleskop im MittelmeerANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Leuchtende Lebewesen der TiefseeLeuchtende Lebewesen der Tiefsee
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
GLAST SatellitGLAST SatellitStart 11. Juni 2008Start 11. Juni 2008
Dunkle MaterieteilchenDunkle Materieteilchenkkönnen direkt önnen direkt „zerstrahlen”„zerstrahlen”
Der dunkle Halo der GalaxieDer dunkle Halo der Galaxiekköönnte in hochenergetischernnte in hochenergetischerGamma-Strahlung leuchtenGamma-Strahlung leuchten
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Via Lactea Simulation der Bildung unserer Via Lactea Simulation der Bildung unserer MilchstraMilchstraßeße
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München
Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Die Jagd nach den Teilchen der dunklen MaterieMaterie
Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern,Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC)vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2008)am CERN in Genf (ab 2008)
Suche nach Annihilationsprodukten in der GalaxieSuche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie• Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST)Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST)• Anti-Protonen (AMS, Pamela)Anti-Protonen (AMS, Pamela)• Positronen (AMS, Pamela)Positronen (AMS, Pamela)• Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder ErdeHochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)(z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)