Transcript Folie 1

VL 13: Dunkle Materie, was ist das?
We don’t know it,
because we don’t see it!
WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov,
EGRET excess of diffuse Galactic Gamma Rays as
Tracer of DM, astro-ph/0508617, A&A, 444 (2005) 51
8 Feb, 2008
VL Kosmologie WS07/08, W. de Boer
1
Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Indirekter Nachweis der DM
( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Direkter Nachweis der DM
( Elastische Streuung an Kernen)
8 Feb, 2008
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Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von
Licht ändert sich
beim Durchgang durch
ein Gravitationsfeld
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Gravitationslinsen
8 Feb, 2008
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Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
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!
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Discovery of DM in 1933
Zwicky, Fritz (1898-1974
Center of the Coma Cluster by
Hubble space telescope ©Dubinski
Zwicky notes in 1933 that
outlying galaxies in Coma cluster
moving much faster than mass
calculated for the visible
galaxies would indicate
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DM attracts
galaxies with
more force->
higher speed.
But still bound!
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Do we have Dark Matter in our Galaxy?
Rotationcurve
Solarsystem
1/r
8 Feb, 2008
rotation curve
Milky Way
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Estimate of DM density
DM density falls off like 1/r2 for v=const.
Averaged DM density “1 WIMP/coffee cup”
(for 100 GeV WIMP)
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What is known about Dark Matter?
From CMB + SN1a + surveys
•
95% of the energy of the Universe is
non-baryonic
23% in the form of Cold Dark Matter
• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters
of Galaxies but DM widely distributed in halo->
DM must consist of weakly interacting and
massive particles -> WIMP’s
•
If it is not dark
It does not matter
Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s,
if thermal relic
DM halo profile of galaxy
cluster from weak lensing
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Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr
Milchstraße
Norma
mv2/r=GmM/r2
Scutum Crux
Perseus
v1/r
Sagittarius
Orion
Sun (8 kpc from center
Cygnus
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Virialsatz
• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im
mechanischen Gleichgewicht gilt
2 EKin  EPot  0
• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
2
m
N
(
N

1
)
N m v2  G
0
2
r
Für N groß:
N 1  N
und
m2  m
2
N m M 
2 r v2
G
Erwarte also für ´Gas` gravitativ
wechselwirkender Teilchen M  r !
Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve
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Kandidaten der DM
†
?
†?
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.
8 Feb, 2008
Probleme:
•ν < 0.7% aus WMAP Daten
kombiniert mit Dichtekorrelationen
der Galaxien.
•Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft.
•Abweichungen von Newtons
Gravitationsgesetz nicht plausibel.
•WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache
Rotationskurven.
In Supersymmetrie sind die WIMPS
Supersymmetrische Partner der CMB
d.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
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Supersymmetrie
Symmetrie zwischen
Fermionen  Bosonen
(Materie)
(Kraftteilchen)
Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !
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Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Comoving number density
Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995
Actual abundance
WMAP -> h2=0.1130.009 ->
<v>=2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien:
1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>.
DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!
T=M/22
x=m/T
8 Feb, 2008
T>>M:
f+f->M+M; M+M->f+f
T<M:
M+M->f+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(wenn Annihilationrate  Expansionsrate, i.e. =<v>n(xfr)  H(xfr) !)
Einzige Annahme: WIMP = thermisches
Relikt, d.h. im thermischen Bad des
frühen Universums erzeugt.
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DM Annihilation in Supersymmetrie

f 
~
f 
f

f


W


A
f

f
Z

f
≈37
gammas
Z
0
W

Z
Dominant
 +   A  b bbar quark pair
B-Fragmentation bekannt!
Daher Spektren der Positronen,
Gammas und Antiprotonen bekannt!
Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik
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Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

f 
~
f 
f

f


W


A
f

f
Z

Z
0
W

Z
Egret: WIMP 50-100 GeV
WMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s
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f
Spin
 ½ Teilchen leicht(0.1 TeV)
Spin 0 Teilchen schwer (TeV)
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Dunkle Materie, was ist das?
• Was wissen wir über Dunkle Materie?
From CMB + SN1a
massive Teilchen
23% der Energie des Universums
schwache Wechselwirkung mit Materie
Annihilation mit <σv>=2.10-26 cm3/s
• Annihilation in Quarkpaare ->
Überschuss in galaktischen Gammastrahlen
Tatsächlich beobachtet (EGRET Satellit)
• WIMP Masse 50-100 GeV aus Spektrum
• Verteilung der Dunklen Materie
• Data konsistent mit Supersymmetrie
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Probleme die durch DM
Annihilation gelöst werden
Astronomie
Rotationskurve
Ringförmiger Struktur
von Sternen bei 14 kpc
Ringförmiger Struktur
von Wasserstoff bei
4 kpc
Astroteilchenphysik
Kosmische Strahlung
(Gammastrahlen)
Kosmologie
23%DM, Hubble
Annihilation
Strukturformation
Teilchenphysik
Spektren der Gammastrahlung für Untergrund
und DMA
Big Bang
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Woher erwartet
man Untergrund?
Quarks
from
WIMPS
Quarks
in protons
Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X ->  + X
inverse Compton scattering (e-+  -> e- + )
Bremsstrahlung (e- + N -> e- +  + N)
Shape of background KNOWN if Cosmic Ray spectra of p and e- known
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Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten
Background + DMA signal describe EGRET data!
50 GeV
PS
IM
0
s.
Blue: background uncertainty
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IC
s.
em
Br
IC
em
Br
IC
W
IM
0
PS
W
70
Blue: WIMP mass uncertainty
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Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen
A: inner Galaxy
B: outer disc
C: outer Galaxy
Total 2 for all regions :28/36  Prob.= 0.8 Excess above background > 10σ.
E: intermediate lat.
D: low latitude
A: inner Galaxy (l=±300, |b|<50)
B: Galactic plane avoiding A
C: Outer Galaxy
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F: galactic poles
D: low latitude (10-200)
E: intermediate lat. (20-600)
F: Galactic poles (60-900)
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Fits für 180 statt 6 Regionen
180 regions:
80 in longitude  45 bins
4 bins in latitude  00<|b|<50
50<|b|<100
100<|b|<200
200<|b|<900

4x45=180 bins
bulge
disk
sun
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Verteilung der DM
Expected
Profile
xy
xz
Observed
Profile
2M/r=cons.
vxy
and
(M/r)/r2
1/r2
for const.
xzrotation
curve
Divergent for
r=0?
NFW1/r
Isotherm const.
Halo profile
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z
Rotation Curve
x
y
2002,Newberg et al. Ibata et al,
Crane et al. Yanny et al.
disk
bulge
Inner Ring
Outer Ring
1/r2 profile and rings
determined from independent directions
Normalize to solar velocity of 220 km/s
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Rotationskurve der Milchstrasse
Honma & Sofue (97)
Schneider &Terzian (83)
Brand & Blitz(93)
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Wie sehen Rotationskurven anderer Galaxien aus?
Sofue & Honma
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Woher kommen die Ringe der DM?
Einfall einer Zwerggalaxie in Gravitationspotential einer Galaxie:
elliptischer Bahn präzessiert!
Gezeitenkräfte  Gradient der Gravitationskraft  1/r3 !
Daher wird Zwerggalaxie seine Materie zum größten Teil
am Perizentrum verlieren -> ringförmige Strukturen von
Gas, Sternen und Dunkler Materie.Dies wurde tatsächlich
Apocenter
beobachtet bei 14 kpc:
1)Wasserstoffring längst bekannt
2) Ring alter, kaum sichtbarer
Sterne entdeckt mit Sloan Digital
Sky Survey in 2003 (109 M!)
Pericenter
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3) Verstärkte Gamma Strahlung
bei 14 kpc schon in 1997,
Dass dies Spektrum der DMA
entspricht, erst jetzt!
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The local group of galaxies
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The Milky Way and its 13 satellite galaxies
Canis Major
Tidal force  ΔFG  1/r3
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Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
CM
Sun
Sgt
From David Law, Caltech
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Artistic view of Canis Major Dwarf
just below Galactic disc
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Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations
to fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc
Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata
http://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html
Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of
gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible),
8 Feb,
2008 matter (1010 M , EGRET)
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dark
☉
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Tidal disruption of Sagittarius
Sagittarius dwarf observed
by Hubble Space Telescope
(NASA )
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )
http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/
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N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
Observed stars
R=13 kpc,φ=-200,ε=0.8
prograde
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Canis Major (b=-150)
retrograde
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Conclusion
Comparing gamma rays above and below Galactic disk
is excellent way to search for tidal streams,
since systematic errors cancel and foreground from
diffuse part of halo should be the same
Result: one finds a clear correlation between excess
of diffuse gamma rays and KNOWN positions
of tidal streams of two nearest satellite galaxies
Summary: all proposed indirect searches see signal:
galactic centre
galactic poles
galactic anticentre
nearest satellite galactic streams
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Gas flaring in the Milky Way
P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud,
http://arxiv.org/abs/0704.3925
no ring
with ring
Gas flaring needs EGRET ring with mass of 2.1010M☉!
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Inner Ring coincides with ring of dust and H2 ->
gravitational potential well!
H2
Enhancement of inner (outer) ring
over 1/r2 profile 6 (8).
Mass in rings 0.3 (3)% of total DM
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4 kpc coincides with ring of
neutral hydrogen molecules!
H+H->H2 in presence of dust->
grav. potential well at 4-5 kpc.
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Direct Detection of WIMPs
WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoils
Measure recoil energy spectrum in target
0

Spin dependent and indep.
Spin independent 
Number of nuclei2
(coherent scattering on all nuclei!)
0
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Spin dependent
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Direct Dark Matter Detection
CRESST
ROSEBUD
CUORICINO
Phonons
CRESST II
ROSEBUD
CDMS
EDELWEISS
HDMS
GENIUS
IGEX
MAJORANA
DRIFT (TPC)
ER
Ionization
Scintillation
DAMA
ZEPLIN I
UKDM NaI
LIBRA
XENON
ZEPLIN II,III,IV
Large spread of technologies:
L. Baudis, CAPP2003
varies the systematic errors, important if positive signal!
All techniques have equally aggressive projections for future performance
But different methods for improving sensitivity
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DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS
Si
oder
Ge
Einkristall
Schnelle (großflächige)
Auslese
von Phononen
Array von
PhasenübergangsThermometern
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Direct DM detection in solid state crystals
reduced charge collection from surface events
=> add amorphous Ge-layer
higher bandgap
of amorphous
surface layer
repels charges
improved collection
charges recombine in electrodes
=> charges get lost
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Annihilation cross sections
in m0-m1/2 plane (μ > 0, A0=0)
Annihilation cross sections can
be calculated,if masses are
known (couplings as in SM).
Assume not only gauge coupling
Unification at GUT scale, but
also mass unification, i.e. all
Spin 0 (spin 1/2) particles have
masses m0 (m1/2).
10-24
bb
tt
EGRET
WMAP

WW
For WMAP x-section of
<v>2.10-26 cm3/s one needs
For small LSP mass (m1/2 ≈
175 GeV) large values of (m0 ≈
1-2 Tev) (and large tan β ≈ 50)
mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particle
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Cross sections for Direct DM detection
EGRET?
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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)
galactic center
Dec.
v0
June
125
103
WIMP Signal
75
101
±2%
50
Background
25
-0.5
-0.1
Dec
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L. Baudis, CAPP2003
105
100
0
Sun 230 km/s
0.3
0.7
June Dec
1.1
99
97
1.5
June
95
-0.5
Dec
-0.1
0.3
0.7
June Dec
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1.1
1.5
June
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DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73
Schael, EPS2003
A  cos   t  t0  
with t 0 =152.5, T=1.00 y
•
•
•
DAMA NaI-1 to 4:
58k kg.day
DAMA NaI-5 to 7:
50k kg.day
Full substitution of electronics and DAQ
in 2000
The data favor the presence of
a modulated signal with the
proper features at the 6.3 σ C.L.
Running conditions stable at level < 1%
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Zusammenfassung
EGRET Überschuss kann:
1) Haloprofil bestimmen
2) damit äussere Rotationskurve erklären.
(hier gibt es kaum baryonische Materie)
3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV)
4) Statistische Signifikanz > 10 σ!
Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->
EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!
Resultat praktisch modellunabhängig, denn nur bekannte
spektrale Formen des Signals und Untergrundes benutzt,
keine modellabhängige Flussberechnungen!
Modelle OHNE DM können nicht Spektren in ALLEN
Richtungen gut bestimmen und liefern keine Erklärung für
Rotationskurve und Stabilität der Ringe bei 4 und 14 kpc.
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Zukunft
Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit SUPERSYMMETRIE?
Antwort: Ja, wenn die Squarks and Sleptonen im Bereich
1-2 TeV liegen. Der WIMP hat dann
Eigenschaften ähnlich eines Spin ½ Photons, d.h.
LHC Experimente werden ab 2008 klären ob dies stimmt.
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Clustering of DM -> boosts annihilation rate
Annihilation  SQUARE of DM density
Clustersize: ≈ Solarsystem?
Mmin  10-8 -10-6 M‫?סּ‬
Steeply falling mass spectrum.
Boost factor  <2>/<>2  20-2000
From fit: B≈100 for WIMP of 60 GeV
8 Feb, 2008
Clumps with Mmin -> dominant
contribution -> MANY clumps in
given direction -> same
boostfactor in all directions
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