Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014

1. DunkleMächteimWeltall Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Sommerakademie Olang 2014

2. Phase 1: Fortschritt (einBeispiel)

3. Struktur der Materie (Empedokles et al., ≈ 500 v.Chr.) • sehr erfolgreich • viele Anwendungen • … etwas grob

4. Struktur der Materie (Mendelejev, Meyer, 1869) • Grundlage der modernen Chemie • … aber subatomare/subnukleare Phänomene?

5. H Higgs Struktur der Materie (CERN et al., 2012) Materie Kraftfelder Skalarfeld (→ Massen)

6. CERN 4. Juli 2012 Standardmodell der Teilchenphysik komplett! → EierlegendeWollmilchSau? Physik „fertig“?

7. Phase 2: Frustration

8. 22% Dunkle Materie 4% Materie des Standardmodells 74% Dunkle Energie Das Weltall – Unendliche Weiten Ist da sonst gar nichts mehr? Doch! Wir kennen mal gerade 4%!

9. Phase 3: Faszination

10. DunkleEnergie Messung der Expansion des WeltallsmitStandardkerzen Galaxie NGC 4526 Ia-Supernova 1994D • sichtbare Helligkeit  Entfernung • Rotverschiebung  Geschwindigkeit

11. Ergebnis: Expansionskurve des Weltalls • beschleunigte Expansion  negativer Vakuumdruck (dunkle Energie) • kosmologische Konstante? • neue Skalarfelder? • ?????????????????????? Ausdehnungsskala gebremste Expansion  Massenanziehung der (dunklen) Materie Wir leben (zufällig?) in der Übergangsphase Jetzt Milliarden Jahre Urknall

12. DunkleMaterie • bremst Expansion des Alls • sieistunsichtbar • abernichtunspürbar

13. Relativgeschwindigkeiten + Virial-Theorem  Der Haufen müsste das 400-fache an Masse haben, um gravitativ stabil gebunden zu sein! Erste Beobachtungen (Zwicky, 1933) Fritz Zwicky (1898 bis 1974) Coma Galaxienhaufen APOD, 2.5.2010, Dean Rowe

14. Galaxien-Rotationskurven  Dunkle Materie und Rotation von Galaxien v(r) r Galaxiemasse M Galaxie ist einen Riesenball unsichtbarer Dunkel- Materie ... mit „ein paar“ versprenkelten Sternen

15. Unsichtbare Materie (Gravitationslinsen-Effekt) Heißes Gas (Röntgenstrahlung) Dunkle Materie: Kollision zweier Galaxienhaufen Galaxien im sichtbares Licht NASA/CXC/CfA/STScI

16. Phase 4: Forschung (Beispiel: DunkleMaterie)

17. Bestandsaufnahme • DM-Teilchen • senden keine elektromagne-tische Strahlung aus, • sind elektrisch neutral, • spüren keine Kernkraft. • DM-Teilchen unterliegen • der Gravitationskraft • und eventuell anderen “schwachen” Wechselwirkungen

18. The Sloan Digital Sky Survey 2 Milliarden Lichtjahre Deklinations-winkel 1.251.25 GroßräumigeStrukturen der Galaxienverteilungweist auf massereiche(→ langsame) DunkleMaterie-Teilchenhin!

19. Was ist Dunkle Materie? • schwach wechselwirkende neutrale Teilchen • langsame, massereiche Teilchen ( keine Neutrinos!) WIMPs Populärste Hypothese: Weakly Interacting Massive Particles

20. Spin ½ quark squark Spin 1 Spin 0 gluon gluino Spin ½ neutralinos Spin ½ Spin 1/0 Higgs-Bosonen Z photon stabil, DM-Kandidat Idee: Supersymmetrie (SUSY) SUSY-Spiegel

21. Wie sucht man Dunkle Materie? WIMP SM-Teilchen Wechselwirkung (jenseitsStandardModell) SM-Teilchen WIMP indirekte Suche direkte Suche LHC

22. 1. WIMP-Suche am LHC (CERN)

23. Der LHC Beschleunigerkomplex LHC ab 2015: 27 km Umfang Kollisionen von 6,5…7 TeVProtonen t25ns zwischenPaket-Kollisionen 40 pp-Wechselwirkungen pro Paket-Kollision

24. Der LHC Beschleunigerkomplex ATLAS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

25. Der LHC Beschleunigerkomplex CMS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

26. Das Detektorprinzip Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

27. Neutrino Elektron undetektiert DM-WIMP Jet Jet gluino squark Jet Jet Jet undetektiert DM-WIMP Vorsicht Untergund: z.B. WIMP-Erzeugungam LHC Beispiel: Erzeugung von squarks und gluinos p p • 5 Jets • 1 Elektron • fehlende Energie

28. Isoliertes Elektron, Jets, E e jet jet jet jet jet bisher kompatibel mit Untergrund

29. 2. Direkte WIMP-Suche tief unter der Erde zurück ins Weltall Atomkern im Detektor • Detektoren: • extrem sensitiv • extrem rein • hoch-abgeschirmt WIMP aus dem Weltall Rückstoß Energie ≲ 100 keV  Ionisation / Phononen / Photonen

30. Direkte WIMP-Suche weltweit

31. Beispiel: Kryogenischer Detektor CRESST (Gran Sasso) CaWO4 10 kg Kristalle

32. Phononen Licht ✔ - WIMP Unter-grund ✔ ✔ Nachweisprinzip: supraleitende Thermometer Licht Phonon supraleitende Phasenübergangs-Thermometer (SPT) aus Wolfram Detektormodul bei < 10 mK

33. Resultate liefern noch kein konsistentes Bild… positive Signale beste Obergrenze

34. 3. Indirekte WIMP-Suche im Weltall WIMPs sammeln sich in Gravitationszentren: NASA Zentrum unserer Milchstraße Zentrum unserer Sonne Zwerggalaxien

35. WIMP WIMP Charakteristische Hochenergie-Strahlung: Gamma-Strahlung Neutrino-Strahlung Nachweis auf der Erde ? Antimaterie-Strahlung

36. Antimaterie aus dem Weltall Alpha Magnetic Spectrometer on ISS

37. ? Positronen durch kosmische Strahlung Positron-Anomalie • WIMP-Annihilation? • Astrophysikalische Positron-Quelle (naher Pulsar)?

38. IceCube Neutrino-Detektor am Südpol

39. Neutrino- Nachweis Wechelwirkung Detektor Myon Neutrino

40. WIMP-Vernichtung im Zentrum der Sonne Alle Teilchen außer Neutrinos werden in der Sonne absorbiert Bisher noch kein Signal… IceCube

41. Fermi-Satellit Höchstenergetische Gammastrahlung H.E.S.S. Cherenkov-Teleskope Khomas Hochland, Namibia

42. TeV-Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum SNR G0.90.1 HESS J1747281 Galactic Centre HESS J1745290 supermassives schwarzes Loch ~150 pc

43. Gamma-Linien aus dem Galaktischen Zentrum? C. Weniger, JCAP 1208 (2012) 007 WIMP WIMP →   MWIMP  130 GeV

44. Phase 5: Fun …zurückzu Phase 1 von hier…

45. Fazit • MitHiggs-TeilchenisterstesSkalarfeldentdeckt • Komplettierung des StandardmodellsoderSchlüsselzurSupersymmetrie (Neutralinos, WIMPs)? • NochkeineAnzeichenfürWIMPs am LHC… • …abervielAufregungbei der Suchenach WIMPS ausdemWeltall. Es bleibt super-spannend. Keep tuned !

46. Forschung Fun Faszination PhysikmachtSpaß Frustration Fortschritt