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INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK
Dunkle Materie, was ist das?oder
Die dunkle Seite des Universums
Planetarium Stuttgart, 9. Dezember, 2011
Please insert a figure in the master transparency.
KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association
IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE
www.kit.edu
2Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
If it is not dark, it does not matter
Dunkle Materie (DM): Grav. anziehendDunkle Energie (DE): Grav. abstoßend
Nur Materie, keine Antimaterie
Supersymmetrie (liefert Kandidat für DM)(Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen)
3Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
One half is observed! One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!
Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY
4Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Entwicklung des Universums in einer GUT
5Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
durch Vakuumenergie?
6Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
PerlmutterSchmidtRiessNobelpreis 2011
Was ist Dunkle Energie? Vakuumenergie?
7Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Vakuumenergiedichte praktisch konstant.Materie- und Strahlungsdichte nehmen abmit der Zeit.
Gibt es ein perfektes Vakuum?
Antwort: NEIN,auch wenn man dieMagdeburger Halbkugelnabsolut leerpumpen könnte,wird es immer noch Strahlung der Wände geben.
8Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
g(auch beim absoluten Nullpunkt(“Nullpunktsfluktuationen”)
Quantummechanisch kanndiese Strahlung für kurze Zeiten in Materie umgewandelt werden(erlaubt durch HeisenbergscheUnsicherheitsrelation)
Wie macht sich Vakuumenergie bemerkbar?
Vakuumfluktuationenmachen sich bemerkbardurch:1) Lamb shift2) Casimir Effekt3) Laufende Kopplungs-
konstanten 4) Abstoßende Gravitation
9Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Warum ist das Vakuum des Universums so leer?
4) Abstoßende Gravitation
Berechnung der Vakuumenergiedichte:10115 GeV/cm3 im Standardmodell1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie
Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3
Vakuumenergie abstoßende Gravitation (nach Newton)
Expansion mit Geschwindigkeitv=R´=dR/dt
Betrachte Masse m in äußerer Schalemit Geschwindigkeit v. Sie spürt Gravitationspotential der inneren Masse M.Energie:
E= ½mv2-GmM/R= ½mR´2-Gm(4R3/3)/R
Energieerhaltung: dE/dt=0 oderR´R´´ 4 G/3(R2 )´ 0
M mR
10Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
R R - 4G/3(R2) = 0R´R´´= 4G/3(2RR´+R2´)
Vakuumenergie: ´ = 0Beschleunigung: R´´= 8GR/3Solution:R=R0et/ mit =3/8G1/H0 013.8.109 a
Nobelpreis 2011 einfach erklärt
Aus dem Hubbleschen Expansionsgesetz kann man Abstände herleiten unter der Annahme, dass es nur Materie mit anziehender Gravitation gibt.
Beobachtet wird jedoch, dass die weit entfernten Supernovae weiter weg sind als vom Hubbleschen Gesetz vorhergesagt.
Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel
Standard Kerzen:Laternen oderSupernovae 1a
11Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Vergleiche mit Porsche, der einen Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung (Gravitation) kenne.
Wenn ich nachher beobachte, dass die Laternen viel dunkler sind als vom zurückgelegten Abstand erwartet, kann die einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer doch etwas Gas gegeben hat beschleunigte Bewegung.
Sternentwicklung
12Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png
Hubble Bild des Überrestes der Supernova 1987A Stern-Explosion vom 6. Februar, 1998
Die meiste Materie ist NICHT sichtbar mit optischen Teleskopen (wie Hubble)
AMS kann jedoch die hoch-energetische kosmische Strahlung solcher Explosionen
13Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
g psichtbar machen.
Und nach dunkler Materie suchen, von der erwartet wird, dass bei der Vernichtung kosmische Strahlung in Form von Materie und Antimaterie entsteht.
Beachte: im sichtbaren Univ. 1011 Galaxien 300.000 SN / Stunde!
Entdeckung der dunklen Materie
14Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski
Zwicky entdeckt in 1933, dass Galaxien am Rande des COMA Clusters Geschwindigkeiten weiter über die Fluchtgeschwindigkeit haben, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt.
Lösung: es muss zusätzliche „dunkle“ Materie geben (ca. 90% der sichtbaren Materie!)
Die DM muss schwache Wechselwirkung mit normaler Materie haben, sonst kein Halo!
Colliding Clusters zeigen zwei Komponenten der Materie:sichtbare und dunkle Materie mit nur schwacher Wechselw.
Rot:
Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
dunkel
15Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Beobachtungen:
•Chandra X-ray telescope zeigt Verteilung des Gases•Hubble Space Telescope beobachtet Verteilung der dunkle Materie(via Gravitationslinsen)
•Verteilungen sehr unterschiedlich -> dunkle Materie hat nur schwache Wechselwirkung!
sichtbaresGas
Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
16Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
August 22, 2006
“Seeking the lost seeds of the Big Bang”
Dark matter makes up 83% of the matter in the universe and hence dominates the gravitational forces forming galaxies,
17Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart@Matthias Steinmetz
Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt!
„Dunkle Energie“ sindQuantenfluktuationen?
Zusammenfassung bisher
18Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
„Dunkle Materie“ sind WIMPS(Weakly Interacting MassiveParticles)SupersymmetrischePartner der Photonen?LHC und Raumfahrtexp.AMS-02 werden dies zeigen?
Direkter Nachweis von WIMPs
χ χ
Streuung von nicht-relativ. Teilchen meistkoherent, d.h. Wellenlänge des einlaufendenTeilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/pgrößer als Kernradius, so es kann einzelneKerne nicht auflösen und Rückstoß wird an
19Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
ER ~ Ekin (1 - cos)
Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuungan Kernen durchführen
den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)
Kern wird aus dem Gitter gestoßen
IonisationErwärmung (Phononen)Kernanregung Szintillation
Experimente zur Suche nach DMCRESSTROSEBUDCUORICINO
CRESST IIROSEBUD
CDMSEDELWEISS
Phonons
20Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA
XENONZEPLIN II,III,IV
HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (TPC)
ER
Ionization Scintillation
Weltweite WIMP Suchen
21Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
r den
sity
, Grie
st, P
R 1
995
WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s
T>>M: f + f-> M + M; M+M -> f + fT<M: M+M->f + fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationsrate Expansions-rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
22Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
T=M/22Com
ovin
g nu
mbe
r
x=m/TJung
man
n,K
amio
nkow
ski,
DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!
Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.
Vernichtung der dunklen Materie Antimaterie!
DM Teilchen sind elektrisch ungeladen und können daher eigene Antiteilchen sein.
Dies erlaubt Annihilation bei Zusammenstoß. d.h. die DM Teilchen werden vernichtet
23Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html
Teilchen werden vernichtetund die Energie umgewandelt in Materie und Antimaterie.
Alle Details bekannt von Elektron-Positron Vernichtung(am LEP Beschleuniger studiert)
DM Annihilation in Supersymmetrie
f
f
f
f
f
f
ZW0
f~ A Z
≈37 gammas
24Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
ZW 0
WIMP Wunder:Neutralino Annihilations-Wirkungsquerschnittstimmt gut mit WMAPErwartung überein.
TRD
TRACKER PLANE 1N
PLANE 1NS
UTOF
ANTIMATTERMATTERWeight 7000 kgVolume 64 cubic metersPower 2500 wattsData downlink 2 Mbps (average)Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field)Magnetic material Neodymium alloy (Nd2Fe14B), weighting 1200 kg
Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02
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MA
GN
ET
VACUUM CASE
ECALTRACKER PLANE 6
TRACKER
AC
C
LTOF
RICH
(Nd2Fe14B), weighting 1200 kgSubsystems 15 particle detectors and supporting subsystemsLaunch 16th May 2011, 08:56 am EDTMission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth)Construction 1999-2010RWTH + KIT Transition Rad. Detector(Schael) (de Boer)Cost $2 billion (estimated)
Alpha Magnetic Spectrometer - AMS-01Testflight, STS-91, 2 June 1998 (10 days)
26Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Teste ob fragile Si-Sensoren Erschütterungen eines Starts überleben und mitden Temperaturschwankungen und Kühlung im Weltall zurechtkommen
AMS ist ein Teilchenphysik-Detektor im Weltall
Nobel Prizes,(1) Pulsar,(2) Microwave
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(2) Microwave,(3) Binary Pulsars,(4) Solar neutrino
X Ray sources
AMS in der Maxwell EMI Kammer am ESTEC (NL)
28Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart28
N A S A Sh u t t le L a n d i n g F a c i l i t yAir Force C-5 Galaxyfür den Transport von AMS-02von Genf nach Cape Canaveral September 2010
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PayloadCommanderAndreasSabellekvon KIT
KIT verantwortlich für AMS nach dem Start
30Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
von KITvor Endeavournach dem letzten Checkvon AMS inEndeavour
Launch, 16.5.2011 um 8:56 (European time)
31Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
AMS-02 installiert auf der ISS
Astro-nauten
32Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
AMS-02
Astronautentag, 10.11.2011 in Karlsruhe
33Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS
34Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
600 physicists, 60 institutes, 16 countries
SpokesmanSam TingNobelprize 1976started AMS in 1994
35Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
36Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium StuttgartCarbon Nucleus, 41.8 GeV
Endeavour Day 6: ISS tour
37Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Endeavour Day 6Endeavour Day 6: Message from Vatican
38Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Zusammenfassung
Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie unbekannt.
Dunkle Energie dominiert unser Universum abstoßende Gravitation!
39Prof. W. de Boer, 9.12.2011 Öffentlicher Vortrag Planetarium Planetarium Stuttgart
Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM.Satellitenexp. (AMS, Fermi,…) bestätigen LHC durch Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der Antimaterie). Oder direkte DM Suchen?
Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz anderes als erwartet wie so oft in der Physik!