geheimnis der dunklen materie

Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München

Geheimnis der dunklen MaterieGeheimnis der dunklen Materie

Das Geheimnis der

Dunklen Materie

Woraus besteht das Universum?

Das Geheimnis der

Dunklen Materie

Woraus besteht das Universum?

Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München

50-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 200850-Jahr Feier, MPI Physik, München, 2. Juli 2008


ThomasThomas WrightWright (1750),(1750), AnAn OriginalOriginal TheoryTheory ofof

thethe UniverseUniverse


PizzaPizza

Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)

NeutrinosNeutrinos 0.10.12%2%

DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%

Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10% leuchtend) leuchtend)


Struktur von SpiralgalaxienStruktur von Spiralgalaxien

Spiralgalaxie NGC 2997 Spiralgalaxie NGC 891891


SonnensystemSonnensystem


„„Rotationskurve” des SonnensystemsRotationskurve” des Sonnensystems

Kepler’sches GesetzKepler’sches Gesetz

dtanAbsMG

v ZentralNewtonBahn

dtanAbsMG

v ZentralNewtonBahn


Galaktische Rotationskurven aus RadiobeobachtungenGalaktische Rotationskurven aus Radiobeobachtungen

Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Radiobeobachtungendurch Radiobeobachtungen der Wasserstoffbewegungder Wasserstoffbewegung [MNRAS 249 (1991) 523][MNRAS 249 (1991) 523]

Erwartet aus Erwartet aus VerteilungVerteilungder leuchtenden der leuchtenden MaterieMaterie

Beobachtete Beobachtete flacheflacheRotationskurveRotationskurve

Spiralgalaxie NGC 3198 mit Spiralgalaxie NGC 3198 mit überlagerten Konturen der überlagerten Konturen der Wasserstoff-SäulendichteWasserstoff-Säulendichte [ApJ 295 (1985) 305][ApJ 295 (1985) 305]


Struktur einer SpiralgalaxieStruktur einer Spiralgalaxie

Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

Dunkler HaloDunkler Halo


Coma HaufenComa Haufen

Dunkle Materie in GalaxienhaufenDunkle Materie in Galaxienhaufen

GeschwindigkeitsmessungGeschwindigkeitsmessungdurch Dopplereffekt vondurch Dopplereffekt von

SpektrallinienSpektrallinien

MassenabschMassenabschäätzungtzung

Ein gravitativ gebundenesEin gravitativ gebundenesSystem vieler „Teilchen”System vieler „Teilchen”gehorcht dem Virialsatzgehorcht dem Virialsatz

gravkin EE2 gravkin EE2

rmMG

2mv

2 rN2

r

mMG2

mv2 rN

2

1rN

2 rMGv 1rN

2 rMGv


Dunkle Materie in GalaxienhaufenDunkle Materie in Galaxienhaufen

Fritz Zwicky:Fritz Zwicky:DieDie RotverschiebungRotverschiebung vonvon ExtragalaktischenExtragalaktischen NebelnNebelnHelv. Phys. Acta 6 (1933) 110Helv. Phys. Acta 6 (1933) 110

75 Jahre Dunkle Materie75 Jahre Dunkle Materie


Lichtablenkung durch Gravitation Lichtablenkung durch Gravitation („Gravitationslinse”)(„Gravitationslinse”)


Gravitationslinseneffekt in GalaxienhaufenGravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen

Galaxienhaufen Cl 0024+1654Galaxienhaufen Cl 0024+1654[Hubble Space Telescope][Hubble Space Telescope] Numerische SimulationNumerische Simulation


Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & Galaxienhaufen Abell 2029 (Optisch & RRöntgenöntgen))


Bullet Cluster (1E 0657-56)Bullet Cluster (1E 0657-56)


Expandierendes Universum und UrknallExpandierendes Universum und Urknall

Hubble’sches GesetzHubble’sches Gesetz

vvExpansionExpansion = H = H00 Abstand Abstand

Hubble-KonstanteHubble-Konstante

HH00 = h 100 km s = h 100 km s-1-1 Mpc Mpc-1-1

MesswertMesswert

h = 0.72 h = 0.72 0.04 0.04

Expansionsalter des UniversumsExpansionsalter des Universums

tt00 H H00-1-1 14 Milliarden Jahre 14 Milliarden Jahre

1 Mpc = 3.26 1 Mpc = 3.26 101066 LichtjahreLichtjahre

= 3.08 = 3.08 10102424 cmcm


Urknall und Expansion des UniversumsUrknall und Expansion des Universums


Hubble DiagrammHubble Diagramm

Supernovae vom Typ Ia alsSupernovae vom Typ Ia alskosmologische Standardkerzenkosmologische Standardkerzen

Hubbles Originaldaten (1929)Hubbles Originaldaten (1929)

RotverschiebungRotverschiebung(Fluchtgeschwindigkeit)(Fluchtgeschwindigkeit)

Sch

ein

bare

Helli

gke

itS

chein

bare

Helli

gke

it(E

ntf

ern

un

g)

(En

tfern

un

g)


Hubble Diagramm Hubble Diagramm Beschleunigte Expansion Beschleunigte Expansion

BeschleunigteBeschleunigteExpansionExpansion

Abgebremste ExpansionAbgebremste Expansion(Normale Materie)(Normale Materie)


Expansion verschiedener kosmologischer Expansion verschiedener kosmologischer ModelleModelle

Zeit (Milliarden Jahre)Zeit (Milliarden Jahre)

Nach einer Vorlage von Bruno Leibundgut

Kosmischer Kosmischer Skalenfaktor aSkalenfaktor a

HeuteHeute1414

MM = 0 = 0

99

MM = 1 = 1

77

MM > 1 > 1

MM = 0.3 = 0.3

= 0.7= 0.7


Neueste Supernova DatenNeueste Supernova Daten

Kowalski et al.,Kowalski et al.,Improved cosmological constraints from new, old andImproved cosmological constraints from new, old andcombined supernova datasets, arXiv:0804.4142combined supernova datasets, arXiv:0804.4142


Einsteins „Größte Eselei”Einsteins „Größte Eselei”

Friedmann Gleichung fFriedmann Gleichung füürr Hubbles ExpansionsrateHubbles Expansionsrate 3a

k3

NG8

aa

H2

22

3a

k3

NG8

aa

H2

22

YakovYakovBorisovichBorisovichZeldovichZeldovich1914-19871914-1987

• Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen undQuantenfeldtheorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlichihrer Wechselwirkungen impliziert unausweichlich VakuumfluktuationenVakuumfluktuationen• Grundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende EnergieGrundzustand (Vakuum) besitzt gravitierende Energie

• Vakuumenergie Vakuumenergie vacvac ääquivalent zu quivalent zu

Kosmologische Konstante (neue Naturkonstante)erlaubt statisches Universumdurch „globale Antigravitation”

Newton’sche KonstanteNewton’sche Konstante

Dichte gravitierender Masse & EnergieDichte gravitierender Masse & Energie KrümmungstermKrümmungstermist sehr klein oder Nullist sehr klein oder Null(Euklidische Raumgeometrie)(Euklidische Raumgeometrie)


Nullpunktsenergie der QuantenfelderNullpunktsenergie der Quantenfelder

Energieniveaus des harmonischen OszillatorsEnergieniveaus des harmonischen Oszillators

n21

En

n21

En

Nichtverschwindende NullpunktsenergieNichtverschwindende Nullpunktsenergiewegen Heisenberg’scher Unschärferelation:wegen Heisenberg’scher Unschärferelation:Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmtOrt und Impuls nicht gleichzeitig bestimmtund also nicht gleichzeitig exakt Nullund also nicht gleichzeitig exakt Null

Elektromagnetisches Feld: Elektromagnetisches Feld: E und B nicht gleichzeitig Null E und B nicht gleichzeitig Null wegen Unschärferelationwegen Unschärferelation

Energiedichte im Grundzustand (Vakuum) istEnergiedichte im Grundzustand (Vakuum) istSumme über unendliche viele OszillatorenSumme über unendliche viele Oszillatoren

n

n22

22BE

n

n22

22BE

Nominelle Vakuumenergie der QuantenfelderNominelle Vakuumenergie der Quantenfelder für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.)für jeden bosonischen Freiheitsgrad (Photonen etc.) für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.)für jeden fermionischen Freiheitsgrad (Elektronen etc.) Wie zu interpretieren ???Wie zu interpretieren ???

∞∞∞∞


Casimir Effekt (1948)Casimir Effekt (1948)

Hendrik Bugt CasimirHendrik Bugt Casimir(1909 (1909 2000)2000)

Eine messbare ManifestationEine messbare Manifestation der Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldesder Nullpunktsenergie des elektromagnetischen Feldes

Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)Bordag et al., New Developments in the Casimir Effect, Phys. Rept. 353 (2001)

2

47

4

2

cm1

Adm1

N103.1Ad

c240

F

2

47

4

2

cm1

Adm1

N103.1Ad

c240

F Casimir Kraft zwischen parallelenCasimir Kraft zwischen parallelen

Platten (Abstand d, Fläche A)Platten (Abstand d, Fläche A)

Langwellige FeldmodenLangwellige Feldmodenzwischen den Plattenzwischen den Plattenwerden „verdrängt,”werden „verdrängt,”so dass dort die Vakuum-so dass dort die Vakuum-energie geringer ist alsenergie geringer ist alsim freien Raumim freien Raum


PizzaPizza






Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen

QuarksQuarks LeptonenLeptonen

Ladung +2/3 Ladung +2/3

Up Up

Ladung Ladung 1/3 1/3

Down Down

Ladung Ladung 1 1

Elektron Elektron

Ladung Ladung

e-Neutrino e-Neutrino eeeedduu

NeutronNeutron

ProtonProton

QuarksQuarks LeptonenLeptonen

Ladung +2/3 Ladung +2/3

Up Up

Charm Charm

Top Top

Gravitation Gravitation

Schwache WechselwirkungSchwache Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung

Elektromagnetische WechselwirkungElektromagnetische Wechselwirkung

Ladung Ladung 1/3 1/3

Down Down

Strange Strange

Bottom Bottom

Ladung Ladung 1 1

Elektron Elektron

Myon Myon

Tauon Tauon

Ladung Ladung

e-Neutrino e-Neutrino

-Neutrino -Neutrino

-Neutrino -Neutrino

eeee

dd

ss

bb

uu

cc

tt

1. Familie1. Familie

2. Familie 2. Familie

3. Familie3. Familie


Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC)Himmelsverteilung der Galaxien (XMASS XSC)

http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/2mass/XSC/jarrett_allsky.html


SDSS SurveySDSS Survey


Strukturbildung durch GravitationsinstabilitStrukturbildung durch Gravitationsinstabilitätät


Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler Strukturbildung mit Neutrinos als Dunkler MaterieMaterie

Troels Haugbølle, http://whome.phys.au.dk/~haugboelTroels Haugbølle, http://whome.phys.au.dk/~haugboel

Neutrinos mit Neutrinos mit mm = 6.9 eV = 6.9 eVStandard Standard CDM ModellCDM Modell

Structurbildung simuliert mit Gadget-ProgrammStructurbildung simuliert mit Gadget-ProgrammWWürfelgrößeürfelgröße 256 Mpc (heutiges Universum) 256 Mpc (heutiges Universum)


Hubble Deep FieldHubble Deep Field






Alternative zu schweren Neutrinos: NeutralinosAlternative zu schweren Neutrinos: Neutralinos

Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrtjedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt

Sleptons (e, Sleptons (e, ee, …), …)

Squarks (u, d, …)Squarks (u, d, …)

SpinSpinSuperpartnerSuperpartner

00

1/21/2GluinosGluinosWinoWinoZinoZinoPhotino (Photino ())

1/21/2

3/23/2

HiggsinoHiggsino

GravitinoGravitino

~~

~~ ~~~~~~

• Falls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabilFalls die „R-Parität” erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen stabil• Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”,Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das „Neutralino”, das einem schweren Majorana-Neutrino ähneltdas einem schweren Majorana-Neutrino ähnelt

Neutralino = CNeutralino = C11 Photino + C Photino + C22 Zino + C Zino + C33 Higgsino Higgsino

1/21/2 Leptons (e, Leptons (e, ee, …), …)

Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)

11 GluonsGluonsWW

ZZ00

Photon (Photon ())

00

22

HiggsHiggs

GravitonGraviton

SpinSpin StandardteilchenStandardteilchen


„„Erfinder”Erfinder” der Supersymmetrie der Supersymmetrie

Julius Wess (1934Julius Wess (19342007)2007)Direktor emeritus MPI PhysikDirektor emeritus MPI Physik

Bruno ZuminoBruno Zumino(geb. 1923)(geb. 1923)


Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Suche nach SUSY mit dem Large Hadron Collider (LHC)Collider (LHC)

LHC am CERN (Genf)LHC am CERN (Genf)Betrieb ab 2008Betrieb ab 2008

• Protonen werden mit den bisherProtonen werden mit den bisher hhööchsten Energien zur Kollisionchsten Energien zur Kollision gebrachtgebracht

• Entdeckung neuer Teilchen wirdEntdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.B. Higgs-Teilchen underwartet, z.B. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partnerdie supersymmetrischer Partner der normalen Materieder normalen Materie


Simulation einer Proton-Proton Kollision am Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC LHC

LHC am CERN (Genf)LHC am CERN (Genf)Betrieb ab 2008Betrieb ab 2008


Suche nach Neutralinos als Dunkler MaterieSuche nach Neutralinos als Dunkler Materie

Direkte Methode (Labor-Experimente)

KristallKristallEnergie-Energie-depositiondeposition

Gemessen wirdGemessen wirdRRüückstoss-ckstoss-EnergieEnergie(einige keV) (einige keV) durchdurch• IonisationIonisation• SzintillationSzintillation• KryogenischKryogenisch

GalaktischesGalaktischesTeilchen derTeilchen derdunklen Materiedunklen Materie(z.B. Neutralino)(z.B. Neutralino)


Suchexperimente für WIMPsSuchexperimente für WIMPs

COUPPCOUPPPICASSOPICASSO

XENONXENONLUX, ZEPLINLUX, ZEPLINWARP, ArDMWARP, ArDM

DEAP/CLEANDEAP/CLEANDAMA/LIBRADAMA/LIBRAKIMS, XMASSKIMS, XMASS

DRIFTDRIFTGERDAGERDA

CDMSCDMSEDELWEISSEDELWEISS

CRESSTCRESSTROSEBUDROSEBUD

WärmeWärmePhononenPhononen

LadungLadung LichtLicht

Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007

Physik im UntergrundPhysik im Untergrund

• UnterdrUnterdrückung von Störsignalenückung von Störsignalen grundlegend für WIMPgrundlegend für WIMP-Suche-Suche• Abschirmung kosmischer StrahlungAbschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlaborsin Untergrundlabors

Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)


CRESST Experiment zur Suche nach der CRESST Experiment zur Suche nach der Dunklen MaterieDunklen Materie


DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs?DAMA/LIBRA Evidenz für WIMPs?

Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor)Das DAMA/LIBRA Experiment im Gran Sasso (NaI Detektor)beobachtet eine jbeobachtet eine jährliche Modulation ihres Signals mitährliche Modulation ihres Signals mithoher statistische Signifikanz hoher statistische Signifikanz [[Riv. N. Cim. 26 (2003) 1Riv. N. Cim. 26 (2003) 17373, , arXiv:0804.2741 (2008)]arXiv:0804.2741 (2008)]

• Detektor Stabilität ?• „Hintergrund Stabilität“ ?


Suche nach Neutralinos als Dunkler MaterieSuche nach Neutralinos als Dunkler Materie

Direkte Methode (Labor-Experimente)

KristallKristallEnergie-Energie-depositiondeposition

Gemessen wirdGemessen wirdRRüückstoss-ckstoss-EnergieEnergie(einige keV) (einige keV) durchdurch• IonisationIonisation• SzintillationSzintillation• KryogenischKryogenisch

GalaktischesGalaktischesTeilchen derTeilchen derdunklen Materiedunklen Materie(z.B. Neutralino)(z.B. Neutralino)

Indirekte Methode (Neutrino-Teleskope)

SonneSonne

Galaktische dunkleGalaktische dunkleMaterie-Materie-teilchenteilchenwerden akkretiertwerden akkretiert

AnnihilationAnnihilation NeutrinosNeutrinoshoher Energiehoher Energie(GeV – TeV)(GeV – TeV)kköönnen gemessennnen gemessenwerdenwerden


IceCube Neutrino Telescope at the South PoleIceCube Neutrino Telescope at the South Pole

• 1 km1 km33 antarktisches Eis antarktisches Eis mit Photosensoren instrumentiertmit Photosensoren instrumentiert• 40 Trossen von 80 installiert (2008)40 Trossen von 80 installiert (2008)• Fertigstellung bis 2011 geplantFertigstellung bis 2011 geplant


ANTARES – Neutrinoteleskop im MittelmeerANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer


Leuchtende Lebewesen der TiefseeLeuchtende Lebewesen der Tiefsee


Selbst-Annihilation dunkler MaterieteilchenSelbst-Annihilation dunkler Materieteilchen


Kann man die dunkle Materie sehen?Kann man die dunkle Materie sehen?

HESS LuftschauerHESS LuftschauerTeleskop, NamibiaTeleskop, Namibia

MAGIC, La PalmaMAGIC, La Palma

GLAST SatellitGLAST SatellitStart 11. Juni 2008Start 11. Juni 2008

Dunkle MaterieteilchenDunkle Materieteilchenkkönnen direkt önnen direkt „zerstrahlen”„zerstrahlen”

Der dunkle Halo der GalaxieDer dunkle Halo der Galaxiekköönnte in hochenergetischernnte in hochenergetischerGamma-Strahlung leuchtenGamma-Strahlung leuchten


Via Lactea Simulation der Bildung unserer Via Lactea Simulation der Bildung unserer MilchstraMilchstraßeße

Diemand, Kuhlen & Madau, http://www.ucolick.org/~diemand/vlDiemand, Kuhlen & Madau, http://www.ucolick.org/~diemand/vl


Die Jagd nach den Teilchen der dunklen Die Jagd nach den Teilchen der dunklen MaterieMaterie

Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern,Suche nach neuen Teilchen an Beschleunigern, vor allem am Large Hadron Collider (LHC)vor allem am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (ab 2008)am CERN in Genf (ab 2008)

Suche nach Annihilationsprodukten in der GalaxieSuche nach Annihilationsprodukten in der Galaxie• Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST)Gamma Strahlung (z.B. EGRET, HESS, MAGIC, GLAST)• Anti-Protonen (AMS, Pamela)Anti-Protonen (AMS, Pamela)• Positronen (AMS, Pamela)Positronen (AMS, Pamela)• Hochenergetische Neutrinos von der Sonne oder ErdeHochenergetische Neutrinos von der Sonne oder Erde (z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)(z.B. Super-Kamikande, IceCube, Antares, …)

RRückstoßenergiückstoßenergiee(wenige keV) (wenige keV) Gemessen Gemessen durchdurch• IonisationIonisation• SzintillationSzintillation• KryogenischKryogenisch


Some Dark Matter CandidatesSome Dark Matter Candidates

Supersymmetric particlesSupersymmetric particles• NeutralinosNeutralinos• AxinosAxinos• GravitinosGravitinos

Gauge hierarchy problemGauge hierarchy problem

Little Higgs modelsLittle Higgs models

Kaluza-Klein excitationsKaluza-Klein excitations Large extra dimensionsLarge extra dimensions

AxionsAxions CP Problem of strong interactionsCP Problem of strong interactions

Sterile neutrinosSterile neutrinos Right-handes states should existRight-handes states should exist

Wimpzillas (superheavy particles)Wimpzillas (superheavy particles)Super GZK cosmic raysSuper GZK cosmic rays

MeV-mass dark matterMeV-mass dark matter Explain cosmic-ray positronsExplain cosmic-ray positrons

Mirror matterMirror matter Exact parity symmetryExact parity symmetry

Primordial black holesPrimordial black holes

Q-ballsQ-ballsWhy notWhy not ??


PizzaPizza






Hubble Deep FieldHubble Deep Field

Nicolaus Copernicus (1473Nicolaus Copernicus (1473 1543)1543)

geheimnis der dunklen materie

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