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Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen
RotationskurvenRotationskurven
Direkter Nachweis der DMDirekter Nachweis der DM( Elastische Streuung an Kernen)
d k h d Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 1
Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sichbeim Durchgang durchein Gravitationsfeld
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Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
dunkel
Rot:sichtbaresGas
Observations with bullet cluster: •Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas•Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matterHubble Space Telescope and others show distribution of dark matterfrom weak gravitational lensing•Distributions are clearly different after collision-> dark matter is weakly interacting!
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dark matter is weakly interacting!
Simulation der “Colliding Clusters”
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
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Discovery of DM in 1933Zwicky, Fritz (1898-1974
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©DubinskiHubble space telescope ©Dubinski
Zwicky notes in 1933 that tl i l i i C l t
DM attractsl i ithoutlying galaxies in Coma cluster
moving much faster than mass calculated for the visible
galaxies withmore force->higher speed.
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galaxies would indicate But still bound!
Dunkle Materie im Universum
Die Rotationskurven von Spiralgalaxien sind weitgehend p g gflach, während die leuchtende Materie eine abfallende Kurve erwarten lässt Erklärung: dunkle erwarten lässt. Erklärung: dunkle Materie.
Spiralgalaxien bestehen aus einem zentralen Klumpen und in r s hr dünn n Sch ib einer sehr dünnen Scheibe
leuchtender Materie, welche von einem nahezu sphährischen,
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einem nahezu sphährischen, sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.
Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr Milchstraße
Norma
1/
mv2/r=GmM/r2Perseus
Sagittarius
Scutum Crux
v1/r
Cygnus
OrionSagittariusSun (8 kpc from center
yg
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Do we have Dark Matter in our Galaxy?
RotationcurveS l tSolarsystem
rotation curveMilk WMilky Way
1/r
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Estimate of DM density
DM density falls off like 1/r2 for v=const.DM ns ty fa s off /r for const.
Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”(for 100 GeV WIMP)
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(for 100 GeV WIMP)
Virialsatz
• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt
02 PotKin EE
• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren)1(
2mNN
Für N groß: und
02
)1(2
r
mNNGvmN
NN 1 Gvr
MmN22
22 mm g G
Erwarte also für ´Gas` gravitativErwarte also für Gas gravitativ wechselwirkender Teilchen M r !Aber dann v2M/r = konst -> flat rot curve
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Aber dann v M/r konst -> flat rot. curve
Kandidaten der DM
†
?
†
?
?Problem: max. 4% der Gesamtenergiedes Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen
Probleme: •ν < 0.7% aus WMAP Datenkombiniert mit Dichtekorrelationen
†
Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigenKandidaten möglich. Rest der DM mussaus nicht-baryonischen Materie bestehen.
der Galaxien. •Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. •Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibelGravitationsgesetz nicht plausibel. •WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.In Supersymmetrie sind die WIMPS
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Supersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
What is known about Dark Matter?
From CMB + SN1a + surveys
• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic23% in the form of Cold Dark Matter23% in the form of Cold Dark Matter
• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo >
If it is not darkIt does not matterof Galaxies but DM widely distributed in halo->
DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s
It does not matter
• Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s, if thermal relic
DM halo profile of galaxy
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DM halo profile of galaxycluster from weak lensing
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
A t l b d
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled stable densityActual abundance
ityR 1
995
T=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
er d
ensi
Grie
st, P
R
WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s
ng n
umb
onko
wsk
i,
DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>.DMA ( 2) fä t i d
T=M/22Com
ovin
man
n,K
ami DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!T=M/22C
x=m/T
Jung
m Quarks und Leptonen > 0 s > Gammas!
Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des
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x m/T ,frühen Universums erzeugt.
Indirect Dark Matter Searches A ihil ti d t fAnnihilation products fromdark matter annihilation:
Gamma rays(EGRET, FERMI)
Positrons (PAMELA)
Antiprotons (PAMELA)
e+ + e-(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos (Icecube, no results yet)
Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 28.01.2011 15e-, p drown in cosmic rays?
Neutralino-Quark elastische Streuung
Spin independent Spin dependent
Wirkungsquerschnitte sehr klein, weil Higgs nur an Massekoppelt, aber u,d Quarks praktisch keine Masse haben.Sehr empfindlich für s-Quark Anteil im NukleonSehr 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
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Resultat: (N) 10 Größenordnungen kleiner als () (Annihilation)
Direkter Nachweis von WIMPsWir gehen davon aus, dassDM Neutralino oder WIMP ist.χ χ
Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse(oder E2=p2+m2m2, da p=mv mitv 10-3 c und m 100 GeV v 10 c und m 100 GeV Geschwindigkeitsverteilung der WIMPsin einem Gravitationsfeld folgt wiebei Gas in der Atmosphäre
Science Voisinage réseau.ico
bei Gas in der Atmosphäre Maxwell-Boltzmann-Verteilung e-Ekin/kT
mit häufigster Wert v=270 km/h ER ~ Ekin (1 - cos)
Neutralino kann wegenR-Paritätserhaltung NUR elastische Streuung
Streuung von nicht-relativ. Teilchen meistkoherent, d.h. Wellenlänge des einlaufendenTeilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/pg
an Kernen durchführeng g p
größer als Kernradius, so es kann einzelneKerne nicht auflösen und Rückstoß wird anden gesamten Kern abgegeben Wirkungs-
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den gesamten Kern abgegeben. Wirkungsquerschnitt A2 (A= Anzahl der Nukleonen)
Principles of WIMP detection
• Elastic scattering of a WIMP on a nucleus inside a detector
Th il f l ith • The recoil energy of a nucleus with mass Nm2
2( ) 2m
E
For 310
22(max) 2
( )recoil x NN
E v mm m
6For
• This recoil can be detected in some ways :
310v c610 10recoil NE m keV
• This recoil can be detected in some ways :
Electric charges released (ionization detector)
Flashes of light produced (scintillation detector)
Vibrations produced (phonon detector)
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Direkter Nachweis von WIMPsB h d St i k h itt i KBerechnung des Streuwirkungsquerschnitt an einem Kernkompliziert:
Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant,aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielenDann wird abhängig vom Spin S der Kerne img g pDetektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz derNukleonen mit Spin up und Spin down.
Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüberKernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1 Kernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1
Impulstransfer q = A ·10-3GeVKernradius R~ 1.14 fm · A⅓
R 7 G V 1 A⅓R ~ 7 GeV-1· A⅓
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Direkter Nachweis von WIMPs
K h b d f ll f K b 50 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 g qreduzierte Masse = M· MN /(MN + M) maximal wird.
Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann KernmassenverteilungWenn Koherenzbed ngung n cht erfüllt, dann Kernmassenverte lungwichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierteder Massenverteilung)
Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenzder Streuung A2 gering und spinabh Streuung wird wichtigder Streuung A gering und spinabh. Streuung wird wichtig
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Neutralino-Quark elastic scattering
l i i
5 5( ) ( ) ( ) ( ) ....q qL f qq d q q
i d i i
EffectiveLagrangian
scalar interaction 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
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in the non-relativistic limit.
Direct detection event rates
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Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration
Direct Dark Matter DetectionCRESSTROSEBUDCUORICINO
CRESST IICDMS
Phonons
ROSEBUDCDMSEDELWEISS
DAMAZEPLIN IUKDM NaI
HDMSGENIUSIGEXMAJORANA
ER
Ionization Scintillation UKDM NaILIBRA
XENONZEPLIN II III IV
MAJORANADRIFT (TPC)
ZEPLIN II,III,IVLarge spread of technologies:varies the systematic errors, important if positive signal!All techniques have equally aggressive projections for future performance
L. Baudis
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All techniques have equally aggressive projections for future performanceBut different methods for improving sensitivity
Diskutiere nur 4 Beispiele:Diskutiere nur 4 Beispiele:
Edelweiss und CDMS Edelweiss und CDMS (Halbleiterdetektoren:Ionisation und Wärme)Ionisation und Wärme)
DAMA/Libra (Szintillator) DAMA/Libra (Szintillator)
XENON (Flüssigkeit: XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)
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WärmesignalWärmesignalWärmesignalWärmesignal
Der Edelweiss DetektorWärmesignalWärmesignal
ThermometerThermometerWärmesignalWärmesignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlungGe-KernElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlungGe-Kern
g gg g
WIMP WIMP
g gg g
WIMP WIMP
LadungssignalLadungssignalGeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K LadungssignalLadungssignalGeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K
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 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 s in Um bun s u in m L dun ssi n l füh t d s n
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in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird.
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Schnelle (großflächige) (g g )Auslese
von PhononenSioder GeEinkristall
Array von Ph übPhasenübergangs-
Thermometern
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1 5eKalibration
Elektron Rückstöße
1.5Kalibration mit 252Cf
ß-E
ne
rgie
Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer Elektron-Rückstöße
1Rü
cksto durch Bestrahlung mit einer
252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei E i i l ti di d h 1
atio
ns-
zu
Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert
0.5on
Io
nis
a werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve)
Kern-Rückstöße
ältn
is Q
vo g (g )
entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder beschreiben die Bereiche in
Ionisations-Energieschwelle00 50 100 150 200
Ve
rhä beschreiben die Bereiche, in
denen 90% der Elektron- bzw. Kern-Rückstöße liegen.
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Rückstoß-Energie(keV)0 50 100 150 200
Phonon measurement in CDMS
SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur M n n minim l n Änd n n d m n ti h n
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Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis 10-14T !)
XENON
-Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe)
gute Selbstabschirmung-hohe Dichte
gute Selbstabschirmungkompakte Detektoren
-hohe Massenzahl-hohe Massenzahl
-Betriebstemperatur leicht“ zu halten (180 K)
-niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie
„leicht zu halten (180 K)
Rückstoßenergie
-gute Ionisations- und Szintillationseigenschafteng
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Annual Modulation as unique signature?
Annual modulation: v, so signal in June larger than in December due to motion of earth around sun (5-9% effect)in December due to motion of earth around sun (5-9% effect)
galactic center
v0 Sun 230 km/s Dec.
105125
June
03
101
103
±2%50
75
100
WIMP Signal
, CA
PP
200
95
97
99±2%
0
25
50
-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
Background
L. B
audi
s
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JuneJuneDec Dec-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
0.5 0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
JuneJune Dec
DatenDaten bisbis 20082008
Modulation nur in 2-6 keVModulation nur in 2 6 keVRegion -> leichte WIMPs(Signal sehr nah an der
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Schwelle des Detektors!!)
Zusammenfassung
) DM i G l i i d ti b täti t d h fl h a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache Rotationskurven und Gravitationslinsen
b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einemDetektor weltweit unterwegs, aber brauchen nochghöhere Emfindlichkeit.
) Jäh li h M d l ti d Si l i Lib /DAMAc) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)
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