physik.leech.it Blatt 1.… · Created Date: 10/28/2010 8:01:48 PM
Astroteilchenphysik I - physik.leech.it · 3.4.1 Gammas und Positronen Satellit: Fermi ISS: AMS-02...
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KIT – University of the State of Baden-Württemberg and
National Research Center of the Helmholtz Association
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
www.kit.edu
Astroteilchenphysik – I
Wintersemester 2013/14
Vorlesung # 12, 23.01.2014
Dunkles Universum
- LHC: Neutralino-Suche
- indirekter WIMP-Nachweis:
DM-Annihilationsprozesse
DM-Halos
- GeV-Gammas: FERMI
- TeV-Gammas: H.E.S.S.
KIT-IEKP 2 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
SUSY: Neutralino-Eigenschaften
LSP = Lightest Supersymmetric Particle wird stabilisiert
durch R-Parität (kein schneller Protonzerfall)
Sneutrinos n: SUSY-Partner der n (WCDM < 10-3)
G ~ c0 ~
n ~
s = 0 s=3/2 s=½
Supersymmetrie: Fermionen Bosonen
Superpartner: Squarks, Sleptonen, Gauginos, Higgsinos, Gravitino, …
0
4
0
3
0
2
0
1~~~~ ccccc0 ~
1
Rp = (-1)3B+L+2S
Neutralinos c0: Masseneigenzustände der 4 neutralen Gauginos
Majorana-Fermionen (s=½)
Gravitinos G: SUSY-Partner der Gravitonen
leichtestes Neutralino = LSP – Kandidat
Masse? Mischungsparameter?
Annihilations- & Wechselwirkungsrate?
CDM? Lebensdauer (exakte Erhaltung von Rp)?
KIT-IEKP 3 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
3.3 Neutralinosuche am LHC
LHC
SPS
4 Experimente :
CMS, ATLAS,
ALICE, LHCb
Ziele: - Nachweis des Higgs-Bosons
p-p Kollisionen bei √s = 7-14 TeV Schwerpunktsenergie
Datennahme seit Frühjahr 2010 bei Ep = 3.5 (4.0) TeV
KIT-IEKP 4 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
LHC: Higgs-Signal & SUSY
p-p Kollisionen bei √s = 14 TeV Schwerpunktsenergie
Datennahme seit Frühjahr 2010 bei Ep = 3.5 (4.0) TeV
_
- SM-Higgs-Boson mit Masse MH ~ 125 GeV
- MH ~ 125 GeV erfordert starkes fine-tuning für SUSY!
MH = (125.3 ± 0.6) GeV
KIT-IEKP 5 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
p-p Kollisionen bei √s = 14 TeV Schwerpunktsenergie
Datennahme seit Frühjahr 2010 bei Ep = 3.5 (4.0) TeV
- SM-Higgs-Boson mit Masse MH ~ 125 GeV
- Suche nach Signaturen von SUSY: Neutralinos c0
7 TeV 7 TeV
p p
Neutralino-Signatur am LHC:
- fehlende Energie
- fehlender Transversalimpuls
- geladene Leptonen aus
Neutralino-Zerfällen Kollisions-
punkt
LHC – Protonwechselwirkungen
KIT-IEKP 6 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
3-Körper Zerfälle von Neutralinos
b
b b
~
~
~ ℓ
±
ℓ
ℓ ±
c0
c0 ~
2
1
±
Zerfall des zweitleichtesten Neutralinos c2 (NLSP) in das stabile
leichteste Neutralino c1(LSP): c
2 → c
1 + ℓ
± + ℓ 0 0
0 0 ± h0 : leichtes skalares Higgs
H0 : schweres skalares Higgs
A : pseudoskalares Higgs
KIT-IEKP 7 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
LHC – CMS Entdeckungspotenzial
Aktuelle SUSY Limits und cMSSM-Analysen:
- √ s = 7 (8) TeV : keine Evidenz für SUSY Teilchen
- LHC-Limits: Gauginomasse m½ > 0.5 TeV
(ab m½ > 1.5 TeV wird Chargino c± zum LSP!)
- verbessertes SUSY-Entdeckungspotenzial nach LHC Upgrade @ 14 TeV
Gaugino-Massenskala m½ (TeV)
Ska
lare
Ska
la m
0 (
Te
V)
0 1 2
4
3
2
1
LHC
Limit
ʃ Ldt = 5.8 fb-1
KIT-IEKP 8 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
3.4 Indirekte Nachweismethoden
indirekter CDM-Nachweis durch Beobachtung sekundärer Teilchen
aus WIMP-Annihilationsprozessen in der lokalen Gruppe (Galaxis)
c0
supersymmetrische
Neutralinos
niederenergetische
Photonen
Leptonen
e,µ,t
Quarks
u,d
Eichbosonen
W,Z0 Zerfall
c0
Positronen
Elektronen
Elektronen/Positronen:
- hadronischer Zerfall
- Paarbildung
- direkte Erzeugung
Antiprotonen
Protonen Protonen/Antiprotonen:
- Hadronisierung & Jets
- Eichboson-Zerfälle
Gammaquanten
Gammaquanten
Gammas:
- hadronischer Zerfall
- Bremsstrahlung
Neutrinos Neutrinos:
- hadron./lepton. Zerfall
_ - Gammas (g), Neutrinos (n), Antiprotonen (p) & Positronen (e+)
KIT-IEKP 9 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Nachweis der WIMP-Annihilation erfordert präzise Modellierung von
WIMP Annihilation
WIMP Annihilation: wo und wie
wo: CDM mit Halo-Profil (sub-Halos)
wie: WIMP Zerfall in Quarks, Leptonen, Bosonen
a) c0-Signal: Teilchenphysik (Zerfallsmoden) & Astrophysik (Halomodell)
KIT-IEKP 10 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
WIMP Annihilation: Untergrund
Nachweis der WIMP-Annihilation erfordert präzise Modellierung von
b) astrophysikalischem Untergrund (Quellen, Untergrundmechanismus)
inverser Compton Effekt
wie: Energieverteilung des Untergrunds, Prozesse?
wo: Verteilung von Pulsaren, SNRs, CR-Quellen ? Untergrund: Pulsare, SNR
e+
g
KIT-IEKP 11 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Propagation
WIMP Annihilation: Propagation & Nachweis
Nachweis
Nachweis der WIMP-Annihilation erfordert präzise Modellierung von
c) Propagation (p & e+: B-Felder)
TeV-Gammas
Schauer
Cherenkov-
Teleskope
Energiekalibration, Effizienz
und d) Nachweis-Effizienz (GeV-TeV Skala)
KIT-IEKP 12 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Astrophysikalische und teilchenphysikalische Unsicherheiten bei DMA:
DMA – Nachweis: Unsicherheiten
DM-Haloprofil
(sub-Halos)
Propagation der DMA-Messengerteilchen
(Energieverlust, B-Felder)
ASTRO SUSY
- Untergrund-
quellen (Pulsare,
SNR,…)
WIMP-
Eigenschaften:
- Masse
- Flavour (B0, W0)
- sAnn ∙ v
- Zerfallskanäle
~ ~
Dunkel-
Materie
Annihilation
KIT-IEKP 13 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Neutralino Annihilationsprozesse
Annihilation in Fermion-Paare (Quarks, Leptonen)
s-Kanal (Annihilation):
- Z0-Boson
- pseudoskal. Higgs A
c
c
Z0 f
A c
c
c
c f _
f
f _
f
f _
f _
t-Kanal (Umwandlung):
- Sfermionen (n) ~
Annihilation in Eichboson-Paare W± Z0 t-Kanal via Charginos, Neutralinos c
c
c
W
W
c+ c
c
c
Z0
h,H
W
W
W
W
c
c
Z0
Z0
c n c
n h,H
c
Z0
Z0
c
s-Kanal t-Kanal
KIT-IEKP 14 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Neutralino Annihilationsprozesse
WIMP-Annihilationsquerschnitte sind stark abhängig vom
verwendeten SUSY-Modell und den gewählten Parametern:
viele mögliche Feynman-Diagramme und Austauschteilchen
KIT-IEKP 15 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Neutralino Annihilationsprozesse
…ein Ausschnitt weiterer
Annihilationskanäle…
KIT-IEKP 16 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
WIMP-Annihilationsrate in DM-Halos: GAnn ~ r2CDM
Suche in Bereichen mit DM-Überdichten
- galaktisches Zentrum
- sub-Halo-Zentren: Zwerggalaxien, …
WIMP Annihilation: Erzeugungsorte
Anzahl NAnn von WIMP-Annihilationen in Halo (pro Zeit/Volumen-Einheit):
rCMD aus Profil des CDM-Halos
v WIMP-Geschwindigkeitsprofil im Halo
sAnn Wq. aus theoretischen Berechnungen
2v~ CDMAnnAnn nN s
V
mn CDM
CDMCDM r
2
2
v~CDM
CDMAnn
m
rs
KIT-IEKP 17 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Fluss FAnn von WIMP-Annihilationsprodukten
durch Integration entlang der Sichtlinie:
WIMP Annihilation: Sichtlinie
FSichtlinie
CDM
CDM
AnnAnn dsm
v 2
2
1~ rs
galaktisches Zentrum d = 8.3 kpc
dominante
Quelle
Andromeda d = 780 kpc
KIT-IEKP 18 23.01.2014
sub-Halos Summe
12
2
12 1
1106.5)( W
WF scm
m
TeV
pb
v
CDM
Ann
Ann
s
G. Drexlin – VL12
W: Raumwinkel
man erwartet sehr kleine Teilchenflüsse aus WIMP Annihilation:
WIMP Annihilation: Raumwinkel und MC
galakt. Zentrum WIMP Halo aktuelle DMA
Simulation
KIT-IEKP 19 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
3.4.1 Gammas und Positronen
Satellit: Fermi
ISS: AMS-02
WIMP-Annihilation
im galaktischen
Zentrum,
in CDM sub-Halos
,...,,,0
1
0
1 ngcc ep
g
GeV-TeV:
Imaging
Cherenkov
Teleskope
g
GeV:
Fermi-
Observatorium
e+
p _
GeV:
AMS-02
PAMELA
Ballon-Experimente
KIT-IEKP 20 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Satellit: Fermi DM-Annihilation
im galaktischen
Zentrum,
in CDM sub-Halos
,...,,,0
1
0
1 ngcc ep
DMA: Antiprotonen, Positronen
e+
ISS: AMS-02 p _ Antiprotonen, Positronen:
- Ablenkung im galaktischen B-Feld
- Energieverluste (e+: lokale Umgebung)
- wenig Untergrund (Antiprotonen) &
klares Signal (e/m)
- Erdatmosphäre schirmt p und e+ ab:
Satelliten mit B-Feld (GeV)
KIT-IEKP 21 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
DMA: Gammas
DM-Annihilation
im galaktischen
Zentrum,
in CDM sub-Halos
,...,,,0
1
0
1 ngcc ep
g
g
- zeigen zurück zur Quelle
- kein Energieverlust
- keine Ablenkung im B-Feld
- Energieverteilung bis m(c)
- Erdatmosphäre schirmt g´s ab:
Satelliten (GeV) & Cerenkov-Teleskope (TeV)
Gammaquanten:
KIT-IEKP 22 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
DMA: Gammas
galaktisches Zentrum:
sehr gute Statistik
zahlreiche Quellen
extra-galaktisch:
gute Statistik
diffuser Untergrund
galaktischer Halo:
gute Statistik
diffuser Untergrund
KIT-IEKP 23 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
GeV TeV
Galaxis:
38 g/cm2
Atmosphäre:
1000 g/cm2
DMA: Gammas
Vela
DMA?
Geminga
Crab
E > 10 GeV ~500 Quellen
3C454 3
KIT-IEKP 24 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Gammas aus WIMP Annihilationen
Neutralino-Annihilation c0 c0 → qq : im Rahmen der Quark-
Fragmentierung entstehen ~30-40 Gammas (GeV-Energien)
~ ~ _
Spektren für m(c0) = 100 GeV
0.1 1 10 100
g-Energie (GeV)
E2 ·
Flu
ss (
GeV
cm
-2 s
-1 s
r-1) 10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
bb
Z0Z0
W+W -
t+t-
_
cc _
- Zerfallskanäle abhängig von:
a) WIMP-Masse M(c0)
b) WIMP-Flavouranteile
(Bino, Wino, Higgsino)
- c0-Zerfälle in leichte Quarks u,d,…
(und masselose g´s) sind generell
(helizitäts-) unterdrückt
M = 100 GeV
Gammaspektrum ist abhängig vom Annihilationskanal (→ bb, ZZ)
KIT-IEKP 25 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
das ´goldene WIMP Signal´
monoenergetisches g-Liniensignal bei Eg = M(c0)
aus seltenem Zerfallsprozess c0c0 → gg
Goldenes WIMP Signal
- c0c0 → gg Linie ist stark unterdrückt, da neutrale
Teilchen nicht direkt an Photonen koppeln (nur via Loops)
cc→gg Linie
# G
am
mas / 4
Jahre
SUSY Parameterraum
103
102
10
0 100 200 300
Gamma-Energie (GeV)
30 40 50 60 70
Gamma-Energie (GeV)
Zä
hlr
ate
WIMP Signal
diffuser
extragalaktischer
Untergrund
100
80
60
40
20
0
KIT-IEKP 26 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Fermi-Gamma-Observatorium
Fermi-Parameter
Datennahme seit Mitte 2008
Flughöhe 560 km
Dimensionen 2.8 m(h) × 2.5 m(Ø)
Gewicht 4.3 t
g-Energieintervall 20 MeV – 300 GeV
effektive Fläche 1 m2
Winkelauflösung ~ 1´
Fermi-g-Observatorium
- Messprinzip: Paarkonversion
- Nachfolger des Compton-GRO
mit vielen wesentlichen
experimentellen Verbesserungen:
- größere effektive Fläche
- bessere Winkelauflösung
- höhere gEnergien
LAT
KIT-IEKP 27 23.01.2014
einzelner Turm
G. Drexlin – VL12
Fermi – Large Area Telescope LAT
LAT: große Fläche zu jedem Zeitpunkt abgedeckter Raumwinkel dW ~ 20%
- Abdeckung von 4p alle 3 Stunden
- 16 einzelne Türme
g
Kalorimeter (8.6 L0)
CsJ-Kristalle
Gamma-Energie
g-Konversion
(16 W-Folien)
Antikoinzidenz
Si-Strips
(Spuren)
Gamma-Richtung
e-
e+
KIT-IEKP 28 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Fermi – Resultate nach 3.7 Jahren
103
102
101
1
Datennahme von 8/2008 – 4/2012: Himmelskarte 2.6 – 541 GeV
- mehr als 500 Punktquellen aus den Daten entfernt
Ere
ignis
se /
1°×
1°
- Definition von ROIs (Regions-Of-Interest) um das galaktische Zentrum
R3 - 3° / R16 - 16° / R41 - 41° … um das galaktische Zentrum
- Likelihood-Analysen zur Suche nach Linienquellen
KIT-IEKP 29 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Fermi – Resultate nach 3.7 Jahren
Datennahme von 8/2008 – 4/2012: Himmelskarte 2.6 – 541 GeV
- keine signifikante g-Linie in den Gesamtdaten
- schwache Hinweise auf Line bei Eg = 133 GeV (besonders bei R3)
- Signal tritt auch auf (aber schwächer) in Richtung des Erdhorizonts!
- bisherige Signifikanz 1.5 – 3.2 s (je nach Analyseintervall & Modell)
10 50 100 200 Eg (GeV)
R16-Resultate
(3.7 Jahre)
133 GeV?
beobachtetes erwartetes Limit
68% CL 95% CL
95%
CL L
imit
Flu
ss F
g (c
m-2
s-1
)
10-8
10-9
10-10
KIT-IEKP 30 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
DMA: Cherenkov-Teleskope & Fermi
MeV/GeV: Satelliten TeV: IACTs
Fermi
IACTs: ideale Sensitivität für hohe g-Energien: 10 GeV - multi-TeV-Bereich
Energie (TeV)
Gam
mafluss (
TeV
-1 c
m-2
s-1
) 100
10-5
10-10
10-15
10-20
MAGIC
0.0001 0.001 0.01 0.1 1.0 10
H.E.S.S.
KIT-IEKP 31 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
DMA-Suche mit Cherenkov-Teleskopen
Suche nach TeV-Gammas aus DMA im galaktischen Zentrum (GC)
GC
- galaktisches Zentrum: zahlreiche Untersuchungen im Radiobereich,
IR-Bereich, supermassives Schwarzes Loch (SMBH) mit 4·106 M
- zahlreiche Quellen kosmischer Strahlung (SNR, Pulsare, …)
H.E.S.S.
Gesichtsfeld: 1° · 1°
KIT-IEKP 32 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
nach Abzug dieser Quelle
werden Regionen mit TeV-g´s
sichtbar: die g´s entstehen
durch Wechselwirkungen von
Protonen & Molekülwolken
H.E.S.S. – galaktisches Zentrum im TeV Licht
HESS beobachtet ein klares
TeV gSignal vom Ort des
galakt. Zentrums Sgr A*
KIT-IEKP 33 23.01.2014 G. Drexlin – VL12
Suche nach monoenergetischer DMA-Linie von 0.5 – 25 TeV im zentralen
1° um galaktisches Zentrum (ohne galaktische Ebene) über t = 112 h
H.E.S.S. – galaktisches Zentrum im TeV Licht
Gamma-Energie (TeV) 1 10
P(x)
G(x)
sim. 2 TeV g-Linie (MC)
Gesamtuntergrund
in innersten Bereichen
des galakt. Zentrums
erhöhte Rate an hoch-
energetischer kosm.
Strahlung durch:
Supernova-
Explosionen
erhöhte Aktivität des
zentralen SMBHs
Phänomenologische
Beschreibung des
Energiespektrums (kein Signal)