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Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 1
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
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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:sichtbaresGas
Blau: dunkle Materieaus 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 1933Zwicky, 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 attractsgalaxies withmore force->higher speed.But still bound!
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Dunkle Materie im Universum
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 sphährischen, 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
OrionSagittarius
Scutum Crux
Norma
Sun (8 kpc from center)
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Do we have Dark Matter in our Galaxy?
RotationcurveSolarsystem
rotation curveMilky 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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• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt
• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
Für N groß: und
02 PotKin EE
02
)1(2
2
r
mNNGvmN
NN 1 G
vrMmN
2222 mm
Erwarte also für ´Gas` gravitativ wechselwirkender Teilchen M r !Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve
Virialsatz
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Kandidaten der DM
Problem: max. 4% der Gesamtenergiedes Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigenKandidaten möglich. Rest der DM mussaus nicht-baryonischen Materie bestehen.
Probleme: ν < 0.7% aus WMAP Datenkombiniert mit Dichtekorrelationender Galaxien. •Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. •Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel. •WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.In Supersymmetrie sind die WIMPSSupersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
†
†
?
?
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• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic 23% in the form of Cold Dark Matter
• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo-> DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s
• Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s, if thermal relic
From CMB + SN1a + surveys
DM halo profile of galaxycluster from weak lensing
If it is not darkIt does not matter
What is known about Dark Matter?
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Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
T=M/22Com
ovin
g nu
mbe
r de
nsity
x=m/T
Jung
man
n,K
amio
nkow
ski,
Grie
st, P
R 1
995
WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.
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Indirect Dark Matter Searches Annihilation products fromdark matter annihilation:
Gamma rays(EGRET, FERMI)
Positrons (PAMELA)
Antiprotons (PAMELA)
e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos (Icecube, no results yet)
e-, p drown in cosmic rays?
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Neutralino Annihilation channels
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Neutralino-Quark elastische Streuung
Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Massekoppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.Sehr empfindlich für s-Quark Anteil im Nukleon.Squark Austausch sehr klein, wenn Squark schwer
Z-Austausch klein, wenn Neutralino hauptsächlich Bino ist(Bino koppelt nur an elektrische Ladung)
Zusätzlich geringer Impulsübertrag bei Streuung (weitvon Masse des ausgetauschten Teilchens) -> Unterdrückung
Spin independent Spin dependent
Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)
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Direkter Nachweis von WIMPsWir gehen davon aus, dassDM Neutralino oder WIMP ist.
Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mitv 10-3 c und m 100 GeV Geschwindigkeitsverteilung der WIMPsin einem Gravitationsfeld folgt wiebei Gas in der Atmosphäre Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT
mit häufigster Wert v=270 km/h
χ χ
Science Voisinage réseau.ico
ER ~ Ekin (1 - cos)
Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuungan Kernen durchführen
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 anden gesamten Kern abgegeben. Wirkungs-querschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)
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Principles of WIMP detection
• Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector
• The recoil energy of a nucleus with mass
For
• This recoil can be detected in some ways : Electric charges released (ionization detector)
Flashes of light produced (scintillation detector)
Vibrations produced (phonon detector)
Nm
310v c
22
2(max) 2( )recoil x N
N
mE v m
m m
610 10recoil NE m keV
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Direkter Nachweis von WIMPsBerechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kernkompliziert:
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 = A ·10-3GeVKernradius R~ 1.14 fm · A⅓
R ~ 7 GeV-1· A⅓
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Direkter Nachweis von WIMPs
Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50, d.h. perfekt für Neutralinomassen von ca. 50 GeV, denn bei gleicher Kern und WIMP Masse wird q max, weil dann reduzierte Masse = M· MN /(MN + M) maximal wird.
Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilungwichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierteder Massenverteilung)
Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenzder Streuung A2 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 operatorsin the non-relativistic limit.
EffectiveLagrangian
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Direkter Nachweis von WIMPs
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Direct detection event rates
Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration
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Detection challenges
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Background Rejection
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Shielding
Underground +
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Direct Dark Matter DetectionCRESSTROSEBUDCUORICINO
DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA
CRESST IIROSEBUD
CDMSEDELWEISS
XENONZEPLIN II,III,IV
HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (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 performanceBut different methods for improving sensitivity
L. Baudis
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WIMP Searches Worldwide
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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 zurzurLadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K
WIMP WIMP
Ge-Kern
WärmesignalWärmesignal
LadungssignalLadungssignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristallbeibei 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.
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Array von Phasenübergangs-
Thermometern
Schnelle (großflächige) Auslese
von Phononen
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Sioder GeEinkristall
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Rückstoß-Energie(keV)
Elektron-Rückstöße
Kern-Rückstöße
Ionisations-Energieschwelle0
0.5
1
1.5
0 50 100 150 200
Kalibration mit 252Cf 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
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Edelweiss Experiment
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CDMS detectors
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Ionization measurement in CDMS
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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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CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)
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Fiducial Volume removes edges
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-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)-hohe Dichte
gute Selbstabschirmungkompakte Detektoren
XENON
-hohe Massenzahl
-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie-gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften
-Betriebstemperatur „leicht“ zu halten (180 K)
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Noble liquids
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Ionization and Scintillation in Xe
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Double Phase Detector Concept
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The XENON10 Experiment (10 kg)
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Cross section limits
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Annual Modulation as unique signature?
JuneJuneDec Dec95
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
JuneJune Dec
Annual modulation: v, so signal in June larger than in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).
Junev0
galactic center
Sun 230 km/s Dec.
L. B
audi
s, C
AP
P20
03
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Daten bis 2008Daten bis 2008
Modulation nur in 2-6 keVRegion -> 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 Emfindlichkeit.
c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten)
Zusammenfassung