Was ist dunkle Materie? - Institut für Experimentelle Kernphysik

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Was ist dunkle Materie? - Institut für Experimentelle Kernphysik

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+ press conference

Prof. W. de Boer, KIT Physik am Samstag, 29.06.2012

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Die dunkle Seite des Universums

Physik am Samstag, Karlsruhe, 29.06.2012

INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

IKARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE

Please insert a figure in the master transparency.

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and

National Research Center of the Helmholtz Association

www.kit.edu


Die dunkle Seite des Universums

Übersicht

Was ist dunkle Energie?

Was ist dunkle Materie?

Suche nach DM am KIT:

• CMS Exp. am LHC

13.7 Milliarden Jahre

95% der Energie

des Universum ist

“dunkel” und

unbekannter Natur

400.000 y

10 2 s

• AMS Exp. (auf der ISS)

• Edelweiss Exp. (unterirdisch)

10 -12 s

10 -34 s

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Die Säulen der Urknalltheorie

13.Milliarden

Jahre

400.000

Jahre

3 Min.

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Entwicklung der Dichtefluktuationen im Universum

Man kann die Dichtefluktuationen

im frühen Univ. als Temp.-Fluktuationen

der CMB beobachten!

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13.7 Milliarden Jahre

Beobachtungen

Teleskopen: Galaxien

95% der Energie

des Universum

unbekannter Natur

Mini-Urknall

im Labor mit

Teilchenbeschleunigern

10 2 s

WMAP Satellit:

Fernsehschüssel zur

Beobachtung des Strahlung

aus dem Urknall

10 -12 s

10 -34 s

Urknall

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SDSS Telescope in Arizona (US)

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LHC Beschleuniger am CERN

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WMAP Raumsonde

Flug zum Lagrange Point 2

Sonne

Erde

Mond

WMAP (Wilkinson Microwave

Anisotropy Probe)

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Bestandteile des Universums

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Wie laut war

der Urknall?

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Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter,

sowohl im Ozean als in der CMB

Blick von Satellit ins Universum

Blick von Satellit auf die Erde

WMAP

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.p

hp?id=4724

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Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen

Moderne Flöte

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Warum sind Töne des Urknalls so tief?

WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST!

©Mark Whittle

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Klang des Urknalls nach 380.000 Jahren

(transponiert um 50 Oktaven nach oben)

©Mark Whittle

Beachte:

am Anfang gab

es keinen Knall,

sondern

absolute Ruhe!

Akustische Wellen

entstehen später

unter Einfluss der

Gravitation und

Photonendruck

A

220 Hz

Frequenz

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Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies

Doppler Verschiebungen ->

Geschwindigkeiten der Galaxien

(wie Autos von der Polizei geblitzt

werden)

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Universum: 10 11 Galaxien

1 Galaxie: 10 11 Sterne

Unsere Galaxie ist hier

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Das Universum

EXPANDIERT

(Hubblesche Gesetz

v=Hd

entdeckt von

Hubble vor ca. 80 Jahren!)

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Modell: gebackener Rosinenkuchen

Hubblesche Gesetz:

v=Hd

Relative Geschwindigkeit

der Rosinen (Galaxien)

proportional zum Abstand

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durch Vakuumenergie?

Perlmutter

Schmidt

Riess

Nobelpreis

2011

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Physik-Nobelpreis 2011

Kosmische Kerzen bestätigen Einstein

Von Holger Dambeck

Das Universum wächst immer schneller - für diese

Entdeckung bekommen die Astrophysiker Saul

Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess den

Nobelpreis. Beweisen wollten sie ursprünglich das

Gegenteil, doch am Ende bestätigten sie eine Idee Albert

Einsteins - die er selbst als Fehler verworfen hatte.

Schlussfolgerung: es gibt abstoßende Gravitation

Aber dies ist genau was Higgsfelder verursachen:

abstoßende Gravitation

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Sternentwicklung

300.000 SN/h

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png

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Nobelpreis 2011 einfach erklärt

Standard Kerzen:

Supernovae 1a

(hier Laternen)

Vergleiche mit einem Porsche, der einen

Hügel hochrollt. Ich kann den zurückgelegten

Abstand ausrechnen, wenn ich die Steigung

(Gravitation) kenne.

Wenn ich nachher beobachte, dass die

Laternen viel dunkler sind als vom

zurückgelegten Abstand erwartet, kann die

einzige Erklärung sein, dass Porschefahrer

doch etwas Gas gegeben hat

beschleunigte Bewegung.

So ist es auch mit dem Universum:

die Ausdehnung ist größer als erwartet von

der abbremsende Gravitation. Eine

beschleunigende Kraft muss her.

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Entwicklung des Universums

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Zusammensetzung des Universums:

Dunkle Energie (73%) =

Energie mit abstoßender Gravitation

If it is not dark,

it does not matter

Schwarze Löcher (wenig) =

„normale“ Materie mit so hoher Dichte,

das Licht nicht entweichen kann

(können entstehen am Ende einer Sternexplosion)

Sichtbare Materie (4%): alles was wir

nachweisen können und im Labor produzieren

können

Dunkle Materie (23%):

schwach wechselwirkende Materie, die man

bisher nicht im Labor produzieren konnte

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Das Problem

Berechnung der Vakuumenergiedichte im SM:

10 115 GeV/cm 3 im Standardmodell

10 50 GeV/cm 3 in Supersymmetrie

Gemessene Energiedichte: 10 -5 GeV/cm 3

Warum ist das Vakuum des

Universums so leer?

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Supersymmetrie

(Symmetry zwischen Fermion und Bosonen)

One half is observed!

One half is NOT observed!

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Supersymmetrie ist einfach Klasse

SUSY ist für die Physiker so wichtig und beliebt, weil es

• den Higgsmechanismus vorhersagt mit einer

Higgsmasse von

120 5 GeV

und einer Topmasse von

170 30 GeV

• einen Kandidaten für die DM liefert

(SUSY- Partner des Photons oder des Higgs-Teilchens)

• Unendlichkeiten im Standard Model vermeidet

• eine Vereinheitlichung aller Kräfte erlaubt

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Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

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Entdeckung der dunklen Materie

Zwicky entdeckt in 1933, dass

Galaxien am Rande des COMA

Clusters Geschwindigkeiten weiter

über die Fluchtgeschwindigkeit

haben, wenn man nur sichtbare

Materie berücksichtigt.

Center of the Coma Cluster by

Hubble space telescope ©Dubinski

Lösung: es muss zusätzliche

dunkleMaterie geben (ca.

90% der sichtbaren Materie!)

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Wie kann man

einen Urknall im

Labor machen?

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E=mc 2 macht es möglich

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Temperaturentwicklung des Universums

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Bau der Experimentierhallen

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Bild eines Detektors (CMS)

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CMS Collaboration June 27, 2012

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CMS Endkappe wird in Kaverne herunter gelassen

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Raw SE T ~2 TeV

14 jets with E T >40

Estimated PU~50

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Typisch 37 Kollisionen pro Paket Crossing

LHC hat Protonen gespeichert in 1380

Paketen mit 1.5 × 10 11 Protonen/Bunch

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Wenn DM Teilchen am

LHC entdeckt werden, wie

kann man sicher sein, dass

diese auch die DM des

Universums bilden?

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Direkte DM Suche mit dem Edelweiss Experiment

Prinzip: WIMP stößt Kern vom Gitterplatz -> Ionisation und Wärme

(Um geringe Wärmemenge zu detektieren und den Untergrund der

kosmischen Strahlung zu minimieren, muss der Detektor tief unter

der Erde nahe dem absoluten Nullpunkt (ca. 0.1 K) betreiben!

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Indirekte Suche nach DM im Weltall

DM Teilchen sind elektrisch

ungeladen und können daher

eigene Antiteilchen sein.

Dies erlaubt Annihilation bei

Zusammenstoß. d.h. die DM

Teilchen werden vernichtet

und die Energie umgewandelt

in Materie und Antimaterie.

Alle Details bekannt von

Elektron-Positron Vernichtung

(am LEP Beschleuniger

studiert)

@http://theastronomist.fieldofscience.com/2010/05/dark-matter-confronts-observations.html

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Das Alpha-Magnet-Spectrometer auf der

Internationalen Raumstation ISS seit Mai, 2011

Science on the ISS

AMS

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January 5, 2007

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S.C.C. Ting


Launch, 16.5.2011 at 8:56 am (European time)

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Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

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ACC

MAGNET

VACUUM

CASE

TRACKER

MATTER

PLANE 1NS

RICH

Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02

ECAL

LTOF

ANTIMATTER

TRACKER

PLANE 1N

TRD

UTOF

TRACKER

PLANE 6

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Weight 7000 kg

Volume 64 cubic meters

Power 2500 watts

Data downlink 2 Mbps (average)

Magnetic field intensity 0,125 Tesla or

1250 Gauss (4000 times stronger than the

Earth magnetic field)

Magnetic material Neodymium alloy

(Nd 2 Fe 14 B), weighting 1200 kg

Subsystems 15 particle detectors and

supporting subsystems

Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT

Mission duration through the lifetime of

the ISS, until 2020 or longer (it will not

return back to Earth)

Construction 1999-2010

RWTH + KIT Transition Rad. Detector

(Schael) (de Boer)

Cost $2 billion (estimated)

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600 physicists, 60 institutes, 16 countries

Spokesman

Sam Ting

Nobelprize 1976

started AMS

in 1994

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AMS-02 installiert auf der ISS

Astronauten

AMS-02

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KIT verantwortlich für AMS nach dem Start

Payload

Commander

Andreas

Sabellek

von KIT

vor Endeavour

nach dem

letzten Check

von AMS in

Endeavour

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Cady Coleman startet AMS Laptop auf der ISS

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Carbon Nucleus, 41.8 GeV

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Astronautentag, 10.11.2011 in Karlsruhe

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Zusammenfassung

Dunkle Energie dominiert unser Universum

abstoßende Gravitation!

Ursprung der dunklen Energie und dunkler Materie

unbekannt.

Hoffnung: LHC Beschleuniger entdeckt Kandidat für DM.

Satellitenexp. (AMS, Fermi,…) bestätigen LHC durch

Annihilationssignale der DM (sichtbar in Spektren der

kosmischen Strahlung) oder man sieht Kollisionen der

DM Teilchen in Untergrund-Experimente (Edelweiss, Xenon)

Oder die Experimente entdecken noch etwas ganz

anderes als erwartet in diesem neuen Terrain

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