Post on 06-Apr-2016
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Evidenz für dunkler MaterieScheinseminar Astro- und Teilchenphysik
Christian Pabst
Inhaltsverzeichnis1. Phänomene
Rotationskurven von SpiralgalaxienBewegung in GalaxiehaufenHeißes Gas in Galaxie ClusternEffekte durch GravitationslinsenCMB
2. Erklärung der DMBaryonische Materie (MACHO)Heiße Dunkle Materie (HDM)
• NeutrinosKalte Dunkle Materie (CDM)
• WIMPs (LSP, primordiale BH)• Axionen
MOND (Modified Newton Dynamics)3. Zusammenfassung
Rotationskurven von Spiralgalaxien
Fehlende Masse
Aus Stabilität der Planetenbahnen
Z G
1 2
F Fmv² mMG
r r²v r
Aus Messungen v(r) = konst.
Rotationskurven von Spiralgalaxien=> Halo mit
2(r) r
HALO
HALO ca. 90% der Galaxie
GalaxienhaufenBewegung in Galaxienhaufen
Virialsatz
2
2Pot
G M1 1 1Mv E2 2 2 r
10 mal mehr Masse als sichtbar
Röntgenstrahlung von Gasen
Der Galaxienhaufen Abell 3528
Röntgenstrahlung durch heißes Gas
schnelle Gasteilchen
Massenbestimmung des Galaxienhaufenweil Gas an Galaxienhaufen gebunden
M > MVIS
Gravitationslinsen
Verzerrung durch Galaxienhaufen Abell 2218
Massereiche Objekte führen zur Krümmung des Raums (allg. Relativitätstheorie)
Die aus der Krümmung errechnete Masse
M > MVIS
CMB
COBE
Fluktuationen durch Dichteschwankungen, Gravitationswellen
Planck-Spektrum
bester fit mit ΛCDM: Ω0= 0,99±0,12, Ωm = 0.3, ΩΛ = 0,7
5T 10T
Baryonische Materie
Bar0,03 0,05
Aus Nukleosynthese
Dunkle Materie in HALOS
Aufnahme von D/H Radiowellen von einem Quasar
Gal 0,1
(für H0 = 50 km s-1 Mpc-1)
(für H0 = 70 km s-1 Mpc-1)
LUM0,005 0,01
Sichtbare Masse
Zusammensetzung der Galaxie bzw. Universum
4 0,522,5
73
DE DM GAS Stars
2
c3H² c
8 G
H(t) = Hubbel Konstante
km s70Mpc
MACHOs
M Zwerge
0,08 MS
Gasmasse die IR strahlt
zu wenig Strahlung gemessen
kein Kandidat für DM
MACHOs Weiße Zwerge
0,5 – 1,2 MS
zu wenig Zeit für Entwicklung kein Kandidat für DM
Planetarischer Nebel NGC 2440 im Sternbild Puppis
MACHOsNeutronensterne Schwarze Löcher
1,4 MS 109 MS
Anzahl der schweren Elemente begrenzt die Anzahl der NS und BH
Kein Kandidaten für DM
Der Pulsar im Krebsnebel (Pfeil). Er rotiert 30 mal pro Sekunde.
Dieses Bild der Galaxie Pictoris A zeigt den Jet eines Schwarzen Loches 'in Echt'. Das Bild oben wurde im Bereich der Röntgenstrahlung vom Chandra X-ray Weltraum-Observatorium der NASA erstellt. Oben rechts trifft der Jet auf eine Gaswolke, die er zum Leuchten anregt.
MACHOsBraune Zwerge
>0,08 MS
rel. hohe Dichte und wenig IR 20% von Halo mit –12% - 30% Fehler
Begleiter des hellen Sterns Epsilon Indi im Sternbild Indus (Indianer)
Kandidat für DM
MACHOsPlanten + Kometen
Masseanteil zur Sonne zu gering Kein Kandidat für DM
Jupiter Kometen Hale-Bopp
Heiße Dunkle Materie (HDM)Neutrinos lange heißer Kandidat für DM
Abschätzung Neutrinomasse
cN m m 20eV
29 3c 2 10 g cm
0,1
2eV m 20eV
Weiter Einschränkung durch Galaxiebildung
1 3F max maxE c(3 ²n ) p c
4 3f
maxm vn m3 ² ³
fv 2GM r
10eV m 20eV
Mit Neutrinos als Fermi-Gas bei T = 0K
mit
Heiße Dunkle Materie (HDM)
Neutrino - Oszillationen
2 2 2 31 2m m m 3 10 eV
Neutrino-AbsorptionWenn leicht Neutrinos den gal. HALO anfüllen, dann scharfe Absorptionslinien für höchstenergetische Neutrinos
m 10eV 2
20ZME 4,2 10 eV2m
0Z Hadronen und Leptonen
mνe< 1eV
Exp. Bestimmung der Neutinomasse (Tritium-ß-Zerfall)
Argumente gegen Neutrinos
Heiße Dunkle Materie (HDM)
• Entstehung des Universums „top-down“-SzenarioBildung von Strukturen durch Quantenfluktuationkrit. Masse für Bildung von Strukturen bei 1016 Sonnenmassen mit Neutrinos (m = 20eV)
Größe von Superhaufen nötig Erst Superhaufen dann Galaxien „top-down“-Szenario
Aus Messung , darum Neutrinos kein Kanditat für DM „bottom-up“-Szenario favorisiert CDM Durch CMB-Messung (COBE) bestätigt
z 3
Supersymmetrie
• Hierarchie Problem: wieso ist MW\MP≈10-17
• Natürlichkeitsproblemm2
H = m2H;0+O(Λ2)
Probleme des SM:
Lösungsansätze:GUT, SUSY, String-Theorie, usw.
nackte Masse Selbstenergie
Supersymmetrie
Higgs Boson
Eich Boson
Einführung von Loop Korrekturen
Supersymmetrie
Die SUSY Algebra enthält Pμ, Raum-Zeit Translationen. Aus der Eichinvarianz unterdieser Transformation folgt die Einsteinsche Theorie der Gravitation. (SUGRA)
SUSY-Algebra
• |A > wird durch supersymmetrische Transformationen in |B > überführt• Superpartner haben die gleiche Masse• Superpartner haben dieselben Eichquantenzahlen (Ladung, schwacher
Isospin, Farbe, Masse)
Repräsentanten der SUSY sind Supermultipletts
Supersymmetrie
MSSM minimale Anzahl neuer Teilchen und WW
R-Parität
3(B L) 2SRP ( 1) Particles (SM) = 1, Sparticles(SUSY) = -1
• Keine Mischung zwischen PR = 1 und PR = -1 Teilchen• Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt werden• Jeder Wechselwirkungsvertex muss eine gerade Anzahl (normal 0 oder 2) PR=-1
Sparticles haben.• Ein schweres supersymmetrisches Teilchen kann in Leichtere zerfallen• Das leichteste Sparticle (LSP) muß stabil sein• Jedes Sparticle außer das leichteste zerfällt in einen Zustand mit einer ungeraden
Anzahl LSP (normal 1)• Supersymmetrische Teilchen sollte man daran erkennen können, dass viel
Energie fehlt, die vom LSP weggetragen wird.
LSP
Neutralino: Die neutralen fermionischen Partner der neutralen Eichbosonen W*0 und B*0 mischen mit den neutralen fermionischen Partnern vom Higgs-Boson H*0
1;2.
Die vier Neutralinos (χ*0i) sind Eigenzustände der Diagonalisierten
Massenmatrix
LSP
Es gilt: M χ1 <M χ2 <M χ3<M χ4
Das Neutralinos (χ*00) ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP),
solang R-Parität erhaltenund Gravitino nicht leichter.
Idealer Kandidat für CDM
primordiale schwarze Löcherwäre guter Kandidat für CDMschweres WIMPs
m = 1018 g oder 10-15mS r = 10-12 m ρ = 1048 g/cm3
Entstehung:• spontanen Symmetriebrechungen eines Skalarfeldes im Frühphase des Universums • kollabierte Gravitationswellen, die super-kritischen Brill- Wellen
Zerfall:•Quanteneffekte Löcher würden schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung)
Akkretion durch Mini–Löchern (pri. BH) Saatkörner für Galaxien (spekulativ)
AxionenCP Verletzung bei K0-Zerfall
QCD existieren Terme,in der starken WW, die CP verletzend sind
Fürs Neutron: elekt. Dipolmoment = magnetische Dipolmoment (starkes CP-Problem)
Erklärung: zusätzlich Felde und Symmetrien (Peccei Quinn Symmetrie UPQ(1) ), die bei einer Skala fa spontan gebrochen wird
Pseudo-Goldstone Boson Axions
Zwei Photonen Kopplung (ähnlich π0)
Kopplungen des Axions sind proportional zu 1/fa, sehr schwach
Aγ
γ A γ
Feld
Axionen
Problem: noch nicht nachgewiesen
Masse der Axione über Zerfallskonstante fa ,Vakuumserwartungswert eines Higgsfeldes, bestimmt.
Man kann sich folgende Grenzen für die Masse der Axionen überlegen: • Bei m ≈ 1 keV würde die Sonne durch Emission von Axionen zu viel
Energie verlieren und zu schnell abkühlen. • Bei m > 10-2 eV könnte das Heliumbrennen in roten Riesen nicht einsetzen. • Aus der Breite des Neutrinopulses der Supernova SN 1987A ergibt sich
eine m < 10-3 eV • Damit die Axionendichte der kritischen Dichte des Universums entspricht,
m ≈ 10-5eV ρ = 1010 Teilchen pro cm³
7A am 0,62eV10 GeV f
10-5eV < mA < 10-3eV
MONDModified Newton Dynamics
Zusammenfassung
Universum besteht aus:
DE DM Baryon(73%) (23%) (4%)
Galaxie besteht aus:
DM Baryon(86%) (14%)
Aussichtreichster Kandidat für DM
LSPB Zwerge