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Die Suche nach dunkler Materie im Weltall
Indirekte Messmethoden
Martin Langowski 195103Seminar: Plasmen, Teilchen, Weltall
16.02.2007
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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
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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
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• 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.
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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
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511keV Linie mit SPI/Integral
• 20keV-10Mev• Energieauflösung 2keV bei 1MeV
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Energieauflösende Messung
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Instrument Year Flux
(10-3 cm-2 s-1)
Centroid (keV)
Width (keV)
HEAO-3 79-80 1.130.13 510.920.23 1.6+0.9-1.6
GRIS 88 and
92
0.880.07 2.50.4
HEXAGONE 89 1.000.24 511.330.41 2.90+1.10-1.01
TGRS 95-97 1.070.05 510.980.10 1.810.54
SPI 2003 0.99 +0.47-0.21 511.06 +0.17
-0.19 2.95+0.45-0.51
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Herkunftsbestimmende Messung
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• 511keV Strahlung stammt zum Großteil aus dem verdichteten Zentrum der Galaxie (Bulge)
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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
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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
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• 1977 Beginn der Planung von CGRO mit 4 Instrumenten: COMPTEL, BATSE, EGRET, OSSE
• Flugzeit 5.4.1991-4.6.2000
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EGRET
• Funkenkammer zur Richtungsmessung
• Gamma konvertiert in Funkenkammer in e+e-
• NaI(Tl) Kalorimeter zur Energiemessung der e+ und e-
• Antikoinzidenzschild• Energiebereich:
20MeV-30GeV
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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
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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
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Messung in 6 Raumrichtungen
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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
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• 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)
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• 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
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• 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
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• Sichtbare Materie
• DM Beitrag gesamt
• DM Beitrag aus Halo, inneren, aüßeren Ring
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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
Sgr A East
Sgr A*
3‘
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Signal und Interpretation• 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
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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
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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…)
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Antiprotonen und Positronen Suche
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)
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Messinstrumente
• oben: • BESS-
Polar• unten von
links:• HEAT e+-• HEAT
pbar• AMS-02
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Kurze Beschreibung
• Übergangsstrahlungsdetektor (TRD)
• Flugzeitzähler(TOF)• Tscherenkovzähler(RICH)• Elektromagnetisches
Kalorimeter(ECAL)• Veto/Antikoinzidenzzähler(ACC)• Si-Spurdetektor(Tracker)• Supraleitender Magnet (ca.1T)
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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
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• 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
D. Hooper, hep-ph/0409272
e+ diffusion parameters
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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 )
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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
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Ergänzungen, Meinungen, Fragen ?
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