Dunkle Materie im Labor

1. Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

2. Gliederung • 1 Dunkle Materie • 1.1 Heiße DM • 1.2 Kalte DM • 2 Weakly Interacting Massive Particles • 3 Supersymmetrie • 4 Suche nach der DM, LSP • 4.1 R-Parität • 5 Supergravitationsmodell • 6 LSP in Teilchenbeschleunigern, Massenspektren • 7 Ausblick -- Fazit

3. 1 Dunkle Materie • Motivation • Rotationsverhalten der Galaxien • Gravitationsverhalten der Galaxien

4. 1 Dunkle Materie

5. 1.1 Heiße Dunkle Materie • Eigentliche Kandidaten für DM: Neutrinos als Kandidat für heiße dunkle Materie • Aber: Elektron-Neutrino-Masse, Obergrenze mνe < 2,3 eV

6. 1.2 Kalte Dunkle Materie • Mögliche Kandidaten • W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles) • Axione • Supersymmetrische Teilchen Massive, elektrisch neutrale, schwach wechselwirkende Materie, die stabil sein muss

7. 2 WIMPs (1): Frühes Universum: Hohe Dichte bei hoher Temperatur – WIMPs im thermischen Gleichgewicht (2): Inflationäres Universum, Abkühlung, Dichte der WIMPs durch Paarvernichtung verringert Boltzmann-Faktor: n~e-m/T (3): Temperatur und Dichte zu gering, dass die Paarvernichtung mit der Expansion mithält

8. 3 Supersymmetrie • Erweiterung des Standardmodells • Fundamentale Symmetrie, die Fermionen und Bosonen verknüpft • Jedem Fermion wird ein supersymmetrisches Boson zugeordnet • Jedem Boson wird ein SUSY-Fermion zugeordnet • Stabilisiert Higgs-Masse

9. 3 SM und SUSY • Superpartner haben unterschiedlichen Spin

10. 3 SM versus MSSM • Vereinheitlichung der WW (Kopplungskonstanten) • Kräfte sind bei hohen Energien gleich stark α1 : EM-Wechselwirkung α2 : schwache WW α3 : starke WW

11. 4 Suche nach der DM • Kandidatensuche für kalte dunkle Materie in SUSY-Teilchen: • Higgsino, Photino, Gravitino • Wino, Bino, Gluino (Gauginos) • Neutralinos und Charginos sind ein Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Teilchen (über Massematrizen)

12. 4 Charginos und Neutralinos ~ • Zwei Spin ½ Charginos (χi±) • Vier Spin ½ Neutralinos (χi0) • Es gilt für die Neutralinomassen: χ10 < χ20 < χ30 < χ40 ~ ~ ~ ~ ~ ~ Dabei ist χ10 der Kandidat für die dunkle Materie Leichteste supersymmetrische Teilchen muss stabil sein→ LSP (Lightest supersymmetric Particle)

13. 4.1 R-Parität • Bedingung für Stabilität des LSP • R-Parität als multiplikative Erhaltungsgröße • R = (-1)3(B-L)+2S bzw. R = (-1)3B +L+2S • 1 für SM, -1 für SUSY • Produktion von Sparticles und Anti-sparticles nur in Paaren möglich • Kein Zerfall in „normale Materie“

14. 5 Supergravitationsmodell • Bei hohen Energien alle Teilchen mit gleichen Spin massegleich (GUT: Grand Unification Theory) • Ziel: Reduzierung der Parameter m0 : Masse der selektron, squarks und Higgs m1/2 : Masse der Gaugino, Higgsino

15. 5 mSugra-Modell ~ Punkt 3: m (χ10 ): 45 Gev • Freie Parameter: • tan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skala • Sign (μ): Higgsino-Massenparameter • A0 : Trilinearer Kopplungsfaktor Punkt 2: m (χ10 ): 168 GeV ~ ~ Punkt 1: m (χ10 ): 168 GeV Punkt 4: m (χ10 ): 80 GeV ~ ~ Punkt 5: m (χ10 ): 122 GeV

16. 5 mSugra-Modell Punkt 5 ist für Kosmologie besonders interessant Dichte der DM im vereinbar mit der kritischen Dichte des Universums im mSUGRA-Modell (R-Parität erhalten)

17. 5 LHC Messung an Punkt 5 LSP „unsichtbar“ Cuts an ETmiss führen zur Seperation Indirekter Nachweis des LSP

18. 6 Erzeugung von LSP in Teilchenbeschleunigern • Erzeugung durch e+ e- Annihilation • Alle Zerfallsprozesse theoretisch möglich Bsp: Bestimmung der Massendifferenz von Neutralinos häufig über χ20 – Zerfälle (Dreikörperzerfall) ~

19. Massenbestimmug über Dilepton Kaskadenzerfälle Durch Cuts an ETmiss , etc. zeichnet sich eine scharfe Kante für Dileptonenmasse ab mll = 108,93 GeV Vorraussetzung für komplexere Zerfälle

20. 6 Massenspektren verschiedener Modelle

21. Ausblick -- Fazit • Falls Supersymmetrie-Theorie bestätigt, direkter Nachweis und Erzeugung von DM möglich • Tieferes Verständnis des frühen Universums

22. Ausblick -- Fazit • Durch Verkoppelung von Fermionen und Bosonen Lösung des Hierarchie-Problems • Experimenteller direkter Beweis für SUSY steht noch aus • Verletzung der R-Parität ?  zusätzlich 45 Parameter (Yukawa-Kopplungen) • LSP: Verständnis von 27 % der Energie im Universum (dunkle Energie ?)

23. Quellen • De Boer, Wim: second int. School of astroparticle physics, Nijmwegen 2006 • Heuer, Miller, Richard, Zerwas: Tesla Technical Design Report. Part III. Physics at an e+ e- Linear Collider. 2001 • H.V.Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: "Teilchenastrophysik" • Kraml, Sabine: Neutralino Dark Matter. Neue Entwicklungen in der Teilchenphysik. 2006 - Martin, Stephen: a supersymmetry primer, DeKalb und Batavia 2006 - Meyer, Arndt: Status und Perspektiven der Supersymmetrie, DPG-Tagung, Dortmund 2006 • Polesello, Giacomo: Part 4/3. SUSY Dark Matter and LHC. Sezione di Pavia • Tovey, Dan: Measurements of the LSP mass. Prag • Atlas Detector and physics performance. Technical Design Report. 1999