Einteilung der VL

1. Einteilungder VL • Einführung • Hubblesche Gesetz • Antigravitation • Gravitation • Entwicklung des Universums • Temperaturentwicklung • Kosmische Hintergrundstrahlung • CMB kombiniert mit SN1a • Strukturbildung • Neutrinos • Inflation und GUT • DirekteSuche nach DM • Indirekte Suche nach DM HEUTE

2. Nachweismethoden der DM CMB  baryonische Materie << gesamte Materie Gravitationslinsen Rotationskurven Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen) Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

3. Gravitationslinsen ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld

4. Gravitationslinsen viel stärker als von sichtbarer Materie erwartet HST, www.discovery.com „Einstein Ring“ wenn Quelle, Linse und Beobachter perfekt ausgerichtet

5. Gravitationslinsen Segmente der Einsteinringe bei nicht perfekter Ausrichtung Spektra zeigen, dass Segmente aus EINER Quelle stammen

6. Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter Blau: dunkle Materie aus Gravitations- potential dunkel Rot: sichtbares Gas • Observations with bullet cluster: • Chandra X-ray telescope shows distribution of hot gas • Hubble Space Telescope and others show distribution of dark matter • from weak gravitational lensing • Distributions are clearly different after collision-> • dark matter is weakly interacting!

7. Simulation der “Colliding Clusters” http://www.sciam.com/ August 22, 2006

8. Discovery of DM in 1933 Zwicky, Fritz (1898-1974) Zwicky notes in 1933 that outlying galaxies in Coma cluster moving much faster than mass calculated for the visible galaxies would indicate DM attracts galaxies with more force-> higher speed. But still bound!

9. DunkleMaterie in Galaxien Die Rotationskurven von Spiralgalaxiensindweitgehendflach, während die leuchtendeMaterieeineabfallendeKurveerwartenlässt.Erklärung: dunkleMaterie. SpiralgalaxienbestehenauseinemzentralenKlumpen und einersehrdünnenScheibeleuchtenderMaterie, welche von einemnahezusphärischen, sehrausgedehnten Halo umgebenist.

10. v=ωr Milchstraße Norma mv2/r=GmM/r2 Scutum Crux Perseus Sagittarius v1/r Orion Sun(8 kpc from center) Cygnus Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz

11. GibtesdunkleMaterie in derMilchstraße? Rotationcurve Solarsystem rotation curve Milky Way 1/r

12. Estimateof DM density DM density falls off like 1/r2 for v=const. Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup” (for 100 GeV WIMP)

13. Kandidaten der DM † ? † ? • Probleme: • ν< 0.7% aus WMAP Daten • kombiniertmitDichtekorrelationen • derGalaxien. • Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. • Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel. • In Supersymmetrie sind die WIMPS • supersymmetrische Partner der CMB • d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt). Problem: max. 4% der Gesamtenergie des Univ. in Baryonen nach CMB und BBN. Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigen Kandidaten möglich. Rest der DM muss aus nicht-baryonischen Materie bestehen.

14. Direkter Nachweis von WIMPs Wir gehen davon aus, dass DM ein Neutralinooder WIMP ist. Es ist kalte DM, d.h. Impuls<<Masse (oder E2=p2+m2m2, da p=mv mit v  10-3 c und m  100 GeV Geschwindigkeitsverteilung der WIMPs in einem Gravitationsfeld folgt wie bei Gas in der Atmosphäre Maxwell-Boltzmann-Verteilung  e-Ekin/kT mit häufigster Wert v=270 km/h χ χ ER ~ Ekin (1 - cos) Neutralino kann wegen R-Paritätserhaltung NUR elastische Streuung an Kernen durchführen Streuung von nicht-relativ. Teilchen meist koherent, d.h. Wellenlänge des einlaufenden Teilchens hat de Broglie Wellenlänge =h/p größer als Kernradius, so es kann einzelne Kerne nicht auflösen und Rückstoß wird an den gesamten Kern abgegeben. Wirkungs- querschnitt  A2 (A= Anzahl der Nukleonen)

15. Direkter Nachweis von WIMPs Berechnung des Streuwirkungsquerschnitt  an einem Kern kompliziert: Koherente Streuung am ganzen Kern meistens dominant, aber bei Streuung kann auch Drehimpuls eine Rolle spielen Dann wird  abhängig vom Spin S der Kerne im Detektormaterial. Spin S ist gegeben durch Differenz der Nukleonen mit Spin up und Spin down. Koherenz geht verloren bei Stößen mit hohem Impuls-übertrag q, also wenn die Wellenlänge klein gegenüber Kernradius R ist oder Kohärenzbedingung q · R « 1 Impulstransfer q = mv = A ·10-3 GeV Kernradius R~ 1.14 fm · A⅓ ~ 7 GeV-1· A⅓ Koherenzbedingung meistens nur erfüllt für Kerne bis A=50

16. Direkter Nachweis von WIMPs Für Neutralinomassen von ca. 50 GeV wird die Empfindlichkeit maximal, weil dann Kern und WIMP ähnliche Masse haben und der Impulsübertrag Maximal wird. Spinunbh. Wirkungsquerschnitt ist (Z=Ladung, A=Anz. Nukl, fp und fn sind Formfaktoren) Wenn Koherenzbedingung nicht erfüllt, dann Kernmassenverteilung wichtig, wird beschrieben durch Formfaktor (Fouriertransformierte der Massenverteilung) Bei sehr leichten Kernen wird Verstärkung durch Koherenz der Streuung  Z2 oder (A-Z)2 gering und spinabh. Streuung wird wichtig

17. Neutralino-Quark elastic scattering Effective Lagrangian 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 operators • in the non-relativistic limit.

18. Streuratevon WIMPs

19. Direct detection event rates =5,9 g/cm3 A=131 =5,3 g/cm3 A=73 =2,9 g/cm3 A=28  Jodi Cooley, SMU, CDMS Collaboration

20. Detection challenges

21. Background Rejection

22. Shielding Underground +

23. Direct Dark Matter Detection CRESST ROSEBUD CUORICINO Phonons CRESST II ROSEBUD CDMS EDELWEISS ER HDMS GENIUS IGEX MAJORANA DRIFT (TPC) DAMA ZEPLIN I UKDM NaI LIBRA Ionization Scintillation XENON ZEPLIN II,III,IV Large spread of technologies: varies the systematic errors, important if positive signal! All techniques have equally aggressive projections for future performance But different methods for improving sensitivity L. Baudis

24. WIMP Searches Worldwide

25. Diskutiere nur 4 Beispiele: EDELWEISS und CDMS (Halbleiterdetektoren: Ionisation und Wärme) DAMA/Libra (Szintillator) XENON (Flüssigkeit: Ionisation und Szintillation)

26. Der Edelweiss Detektor 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 Temperaturerhöhung des Kristalls, die über ein Thermometer registriert wird. Gleichzeitig ionisiert der Ge-Kern das Material in seiner Umgebung, was zu einem Ladungssignal führt, das an den Oberflächenelektroden ausgelesen wird, aber viel Rekomb., daher bei Neutronenstreuung weniger Ladung als bei Comptonstr.

27. Kalibration Kalibration eines Ge-Bolometers durch Bestrahlung mit einer 252Cf-Neutronenquelle: Deutlich erkennbar sind zwei Ereignispopulationen, die durch das Verhältnis von Ionisations- zu Rückstoß-Energie separiert werden können. Die auf das Ionisationssignal angelegte Energieschwelle (grüne Kurve) entspricht einer Rückstoßenergie von 3.5keV. Die Bänder beschreiben die Bereiche, in denen 90% der Elektron- bzw. Kern-Rückstöße liegen. 1 per Definition Signalregion

28. Quench-Faktor Verhältnis von Ionisation/Rückstoßenergie ist per Definition 1 für Elektronen und Gammas Für Neutronen (und WIMPS) ist dieses Verhältnis kleiner als 1 („quenched“). Grund: Neutronen haben nur starke Wechselwirkung und stoßen nur mit dem Kern, nicht den Elektronen. Der Rückstoß des Kerns oder seine Fragmente erzeugen eine sehr hohe Dichte an Ionisation, die zu einer starken Rekombination von Elektronen und Löcher und daher weniger Ionisation führt.

29. Edelweiss Experiment

30. CDMS (Cold DM Search) detectors

31. Ionization measurement in CDMS

32. Phonon measurement in CDMS SQUID: Superconducting Quantum Interference Device zur Messung von minimalen Änderungen der magnetischen Feldstärke (bis 10-14T !)

33. CDMS in Soudan mine in Minnesota (USA)

34. Fiducial Volume removes edges

35. XENON -Flüssiges Xe als Detektormaterial (LXe) gute Selbstabschirmung -hohe Dichte kompakte Detektoren -hohe Massenzahl -Betriebstemperatur „leicht“ zu halten (180 K) -niedrige Energieschwelle der Rückstoßenergie -gute Ionisations- und Szintillationseigenschaften

36. Noble liquids

37. Ionization and Scintillation in Xe

38. Double Phase Detector Concept

39. The XENON10 Experiment (10 kg)

40. The XENON100 Experiment (100 kg) Großer Vorteil: 100 kg erlaubt äußere Lage als aktives Veto zu benutzen: Gammas der passiven Abschirmung werden durch Xenon absorbiert und Neutronen werden durch Vielfachstreuung erkannt

41. Aktive Abschirmung „Fiducialmass“ 48 kg. Nachteil von 100 kg: Drift der Ionisation über langer Abstand gibt Verluste durch Verunreinigungen: Ionisationssignal ortsabhängig Brauche sehr hohe Reinheit! Jetzt im Griff. Xenon1000 in Vorbereitung

42. Latest Xenon100 limits 100 kg Xenon erlaubt Abschirmung durch äüßere Xenon Schicht SUSY expectation

43. Xenon program

44. Erwartung

45. galactic center Dec. v0 Sun 230 km/s June WIMP Signal ±2% Background June Dec June Dec June Dec June 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). L. Baudis, CAPP2003

46. Datenbis 2008 Modulation nur in 2-6 keV Region -> leichte WIMPs (Signal sehr nah an der Schwelle des Detektors!!)

47. Zusammenfassung a) DM in Galaxien eindeutig bestätigt durch flache Rotationskurven und Gravitationslinsen b) Direkte Suche nach DM durch Rückstöße in einem Detektor weltweit unterwegs, aber brauchen noch höhere Empfindlichkeit. c) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten)