Die Suche nach dunkler Materie im Weltall

1. Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall 16.02.2007 Martin Langowski 195103 Die Suche nach dunkler Materie im Weltall Indirekte Messmethoden

2. Inhalt Einleitung Indirekte Suche Gammastrahlen -511keV Linien mit SPI/Integral -Überschuss bei diffuser Gammastrahlung -~TeV Strahlung aus dem galaktischen Zentrum Antiprotonen & Positionen -Ballon und Satellitentenexperimente Neutrinos 2/34

3. Einleitung Hinweise auf dunkle Materie - Rotationskurven - Modelle zur Strukturbildung - Gravitationslinsen Erkenntnisse -73% der Masse ist dunkle Energie -27% der Masse ist Materie -davon 4% Baryonen -80% der Materie ist Dunkel 3/34

4. Indirekte Suche • Suche nach Sekundärteilchen aus Annihilation von Dunkle Materie Teilchen mit Antidunkle Materie Teilchen (DMA) • Genaue Kenntnis anderer (nicht so exotischer) Prozesse mit gleichen Sekundärteilchen notwendig • Mögliche stabile Reaktionsendprodukte : (alle anderen Zerfallen) Elektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen, Photonen und Neutrinos - Geladene Materie Teilchen ( Elektronen, Protonen) verlieren zu viele Informationen und tauchen zu häufig bei anderen Phänomenen auf. 4/34

5. Gammastrahlung • Herkunftsrückschluss möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Oder: Gammastrahlung aus Elektron-Positron-Annihilation in Ruhe 511keV Strahlung • Messungen in verschiedenen Spektralbereichen mit entsprechenden Instrumenten • (INTEGRAL E=511keV, diffuse Gammastrahlung bei EGRET E>1GeV, Tscherenkov-Teleskope E~TeV) • Hintergrund: - WW von kosmischer Strahlung mit interstellaren Medium zumeist durch pi0 Zerfall - WW von hochenergetischen Elektronen durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung 5/34

6. 20keV-10Mev Energieauflösung 2keV bei 1MeV 511keV Linie mit SPI/Integral 6/34

7. 7/34 Energieauflösende Messung

8. Herkunftsbestimmende Messung 8/34

9. 9/34

10. 511keV Strahlung stammt zum Großteil aus dem verdichteten Zentrum der Galaxie (Bulge) 10/34

11. Interpretation • 511keV Strahlung stammt aus dem verdichteten Zentrum (Bulge) • Dort wird auch die größte Dichte dunkler Materie vermutet Nicht DM Interpretation -Nicht DM Interpretationen (Astrophys. Phänomene, bei denen Positronen entstehen) aus vorangegangen Experimenten brauchen einen größeren Intensitätsanteil aus der Disc - Ein entsprechender Anteil wurde nicht gemessen 11/34

12. Diffuse Gammastrahlung • Erstes Gammastrahlenteleskop im All: Explorer XI 1961 • Mai 1961- September 1961 nur 100 gemessene Photonen aus verschiedensten Bereichen des Alls welche als „Gammastrahlen Hintergrund“ gedeutet wurden • SAS-2 (1972-73) und COS-B (1975-82) liefern erste vollständige Karten des Universums im Gammastrahlenbereich 12/34

13. 1977 Beginn der Planung von CGRO mit 4 Instrumenten: COMPTEL, BATSE, EGRET, OSSE • Flugzeit 5.4.1991-4.6.2000 13/34

14. Funkenkammer zur Richtungsmessung Gamma konvertiert in Funkenkammer in e+e- NaI(Tl) Kalorimeter zur Energiemessung der e+ und e- Antikoinzidenzschild Energiebereich: 20MeV-30GeV EGRET 14/34

15. Was wurde Gemessen • Zur Modellierung des Hintergrunds (gelb) wurde das Programm GALPROP genutzt • Zur Modellierung der Kontur der DMA Kurve wurde Das Programm DarkSusy benutzt 15/34

16. Interpretationen des Überschusses • Es gibt eine Gruppe (W. de Boer et al.) die Überschuss mit DM erklärt ( => wird im folgendem behandelt) • Andere Gruppen Erklären den Überschuss als Fehlmodellierung • Dabei können z.B. leichte Änderungen der Kern und Elektron Spektren zur Erklärung des Überschusses führen 16/34

17. Messung in 6 Raumrichtungen 17/34

18. Erste Schlüsse • Der Überschuss der diffusen Gammmastrahlung bei Energien >1GeV ist in allen Raumrichtungen zu sehen • Der Überschuss entsteht durch DMA von Wimps mit einer Ruhmasse von 50GeV-100GeV 18/34

19. Ausweitung der Messungen auf viele ( hier 180 ) Raumrichtungen • Unter Annahme bestimmter Voraussetzungen der Strukturentstehung, ist der Überschuss proportional zum Integral über das Quadrat der DM Dichte in Sichtrichtung • Dies liefert Hinweise auf das Haloprofil • Mit diesem lässt sich dann auch die Rotationskurve der Milchstrasse erklären(Halo + 2 Ringe bei 4kpc und bei 14kpc) 19/34

20. Parameterisierung des Haloprofils aus empirischen Beochbachtungen • Isothermales Haloprofil (alpha,beta,gamma)=(2,2,0) • a ist der Skalierungsradius • r ist Radius • rho0 ist Dichte bei r=0 für große r ist rho proportional zu 1/r^2 20/34

21. konstante Energie >0,5GeV Flussdichte über galaktische Länge dargestellt in festem Bereich galaktischer Breite links: isothermisches Haloprofil als DM rechts: isothermisches Haloprofil + 2 Ringe bei4kpc und 14kpc als DM 21/34

22. Sichtbare Materie DM Beitrag gesamt DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring 22/34

23. Galaktisches Zentrum Schwarzes Loch Sgr A* mit 3*10^6 Sonnenmassen Supernovaüberrest Sgr A East Gebiet mit hoher Dichte an ionisierten Wasserstoff Sgr A West Zuerst gefunden als Radioquelle mit geringer Luminosität Variabel in Zeitskalen <1h im Infrarotband und für Röntgenstrahlung, aber nicht bei Gammastrahlung Hochenergetische Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum 3‘ Sgr A* Sgr A East 23/34

24. Es wurde E^2*Flussdichte =E^(-2,2) gemessen Zur Erklärung benötigt man Wimp mit Masse>12TeV, da dort kein cutoff zu erkennen Andere DM Erklärung: Teilchen aus sogenannter Kaluza-Klein-Theorie - Zur KK-DM Erklärung wird ein großer Fluss und/oder ein großer Wirkungsquerschnitt benötigt Diese können alleine das Spektrum nicht erklären Es muss weitere Phänomene geben, die Beitragen Signal und Interpretation 24/34

25. Antiprotonen • Keine Ortsangabe der Quelle möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Hohe Reichweite im interstellaren Medium, d.h. Antiprotonen können aus der ganzen Milchstraße (Durchmesser ca. 30 kpc) die Erde erreichen (auf gekrümmten Bahnen) • Hintergrund: Antiprotonen entstehen bei Stößen von Protonen mit dem Interstellaren Medium (zumeist Wasserstoff) oder in Erdatmosphäre 25/34

26. Positronen • Keine Ortsangabe der Quelle möglich • Spektrum mit oberer Grenze bei der Masse des Dunkle Materie Teilchens • Kurze Reichweite (wenige kpc) aufgrund hoher Energieverluste(z.B. durch Bremsstrahlung, inverse Comptonstreuung, Synchrotonstrahlung) - auch vorteilhaft, da Hintergrund Modellierung einfacher • Hintergrund: Positronen aus Wechselwirkung von Photonen mit geladener Kosmischer Strahlung u.a. Astrophysikalische Phänomene (Supernovae, Pulsare…) 26/34

27. Ballonexperimente Erste Messungen 1979 Heutige Experimente BESS seit 1993 jährlich ca.10h/a bis 2004 etwa 2000 Antiprotonen gemessen (1993 nur 6) Größenordnung des Verhältnis der Antiprotonen zu Protonen O(10^-5) Seit 2004 BESS-Polar mit Flugdauern von ca.10Tagen CAPRICE (94 und 98) HEAT (sowohl e+e- als auch pbar Suche) Satellitenexperimente AMS(01 Testflug 1998, 02 ab 2008), Pamela(2006) Antiprotonen und Positronen Suche 27/34

28. Messinstrumente • oben: • BESS-Polar • unten von links: • HEAT e+- • HEAT pbar • AMS-02 28/34

29. Kurze Beschreibung • Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) • Flugzeitzähler(TOF) • Tscherenkovzähler(RICH) • Elektromagnetisches Kalorimeter(ECAL) • Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC) • Si-Spurdetektor(Tracker) • Supraleitender Magnet (ca.1T) 29/34

30. Bisherige Erkenntnisse • BESS: • Fluss und Energieabhängigkeit des Antiproton/Proton Verhältnisses lassen sich ohne Dunkle Materie klären • HEAT: • Positronen sind reine Sekundärteilchen von Kernwechselwirkungen im interstellaren Raum • Allerdings kann DM noch nicht ausgeschlossen werden 30/34

31. Positronfraction (#e+/#e-) für Energien von 1GeV-30GeV • HEAT Messwerte 94/95 rot Messwerte 2000 blau • Modell für Spektrum mit zusätzlichen Anteil von DM aus Kaluza-Klein-Theorie schwarz • gestrichelte Linien für andere e+ Diffusionsparameter => DM aus KK-Theorie als Strahlungsquelle noch nicht ausgeschlossen e+ diffusion parameters D. Hooper, hep-ph/0409272 31/34

32. Neutrinos • Herkunftsrückschluss möglich • Ist selbst WIMP ( Heiße Dunkle Materie) • Nur schwach wechselwirkend, deshalb nur schwer (mit riesigen Detektoren) nachzuweisen • Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen • Durchdringt auch Regionen durch die andere Teilchen wegen WW nicht durchkommen ( Neutrinos aus inneren der Sonne, Erde u.a. falls sich DM dort sammelt ) 32/34

33. Zusammenfassung • Indirekte Suche nach DM über Sekundärteilchen von DM Annihilation möglich • Es wurden tatsächlich Signale gemessen, die mit DM erklärt werden können • Aber: Zumeist gibt es starke Gegenargumente • Eindeutiger Nachweis der Existenz von DM mit indirekter Suche steht noch aus 33/34

34. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ergänzungen, Meinungen, Fragen ? 34/34