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6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 1
We don’t know it,because we don’t see it!
VL 13: Dunkle Materie, was ist das?
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
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 2
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)
Nachweismethoden der DM
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 3
Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 4
Gravitationslinsen
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 5
Gravitationslinsen
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 6
Colliding Clusters Shed Light on Dark Matter
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!
Rot:sichtbaresGas
Blau: dunkle Materieaus Gravitations-potential
dunkel
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 7
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
Simulation der “Colliding Clusters”
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 8
Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope ©Dubinski
Discovery of DM in 1933Zwicky, 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 attractsgalaxies withmore force->higher speed.But still bound!
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 9
Dunkle Materie im Universum
Die Rotationskurven von Spiralgalaxien sind weitgehend flach, während die leuchtende Materie eine abfallende Kurve erwarten lässt. Erklärung: dunkle Materie.
Spiralgalaxien bestehen aus einem zentralen Klumpen und einer sehr dünnen Scheibe leuchtender Materie, welche von einem nahezu sphährischen, sehr ausgedehnten Halo umgeben ist.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 10
Messung der Masse durch Newtons Gravitationsgesetz
v=ωr
v1/r
mv2/r=GmM/r2
Milchstraße
Cygnus
Perseus
OrionSagittarius
Scutum Crux
Norma
Sun (8 kpc from center)
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 11
Do we have Dark Matter in our Galaxy?
RotationcurveSolarsystem
rotation curveMilky Way
1/r
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 12
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)
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 13
• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt
• Für N Galaxien also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
Für N groß: und
02 PotKin EE
02
)1(2
2
r
mNNGvmN
NN 1 G
vrMmN
2222 mm
Erwarte also für ´Gas` gravitativ wechselwirkender Teilchen M r !Aber dann v2M/r = konst -> flat rot. curve
Virialsatz
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 14
Kandidaten der DM
Problem: max. 4% der Gesamtenergiedes Univ. in Baryonen nach CMB und BBN.Sichtbar nur 0.5%, d.h. 3.5% in obigenKandidaten möglich. Rest der DM mussaus nicht-baryonischen Materie bestehen.
Probleme: ν < 0.7% aus WMAP Datenkombiniert mit Dichtekorrelationender Galaxien. •Für kosmische Strings keine Vorhersagekraft. •Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz nicht plausibel. •WIMPS ergeben nach Virialtheorem flache Rotationskurven.In Supersymmetrie sind die WIMPSSupersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
†
†
?
?
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 15
• 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
• Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s, if thermal relic
From CMB + SN1a + surveys
DM halo profile of galaxycluster from weak lensing
If it is not darkIt does not matter
What is known about Dark Matter?
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 16
Fundamental questions of modern physics
Particle physics Cosmology
What is the origin of mass?Why forces different strength?Why hydrogen atom neutral?
What is Dark Matter?What is Dark Energy?Why no antimatter?How did galaxies form?
Magic solution: SUPERSYMMETRY
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 17
Motivation of SUSY in Particle Physics
1. Unification with Gravity2. Unification of gauge couplings3. Solution of the hierarchy problem4. Higgs mechanism by radiative corrections5. No quadratic divergencies, i.e. theory valid to high energies6.Dark matter in the Universe 7.Superstrings
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 18
What is SUSY?Supersymmetry is a Boson-Fermion symmetry, which allows to unify all forcesof nature (including gravity).
SUSY can exist in nature ONLY, if there are as many bosons as fermions Doubling the particle spectrum (Waw, Eldorado for experimental particle physicists)
| | | |Q boson fermion Q fermion boson
2 3/2 1 1/2 0spin spin spin spin spin
{ , } 2 ( ) { , } 2( )
( ) local coordinate transformation.
ji ijQ Q P P
x
Local translation = general relativity !
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 19
We like elegant solutions
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 20
Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !
Supersymmetrie
Symmetrie zwischenFermionen Bosonen
(Materie) (Kraftteilchen)
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 21
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
T=M/22Com
ovin
g nu
mbe
r de
nsity
x=m/T
Jung
man
n,K
amio
nkow
ski,
Grie
st, P
R 1
995
WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 22
DM Annihilation in Supersymmetrie
Dominant + A b bbar quark pair
B-Fragmentation bekannt!Daher Spektren der Positronen,Gammas und Antiprotonen bekannt!
f
f
f
f
f
f
Z
Z
W
W 0
f~ A Z
Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik
≈37 gammas
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 23
Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY
Egret: WIMP 50-100 GeVWMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s
f
f
f
f
f
f
Z
Z
W
W 0
f~ A Z
Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV)Spin 0 Teilchen schwer (TeV)
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 24
• Was wissen wir über Dunkle Materie? 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
Dunkle Materie, was ist das?
From CMB + SN1a
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 25
Probleme die durch DM Annihilation gelöst werden
Big Bang
Spektren der Gamma-strahlung für Untergrund und DMA
Teilchenphysik
Kosmologie
Astroteilchenphysik
23%DM, Hubble AnnihilationStrukturformation
Kosmische Strahlung(Gammastrahlen)
AstronomieRotationskurveRingförmiger Strukturvon Sternen bei 14 kpcRingförmiger Strukturvon Wasserstoff bei 4 kpc
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 26
Usual astrophysicist’s search strategies
Particle physicist: get rid of modeldependence by DATA DRIVEN calibration
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 27
R
Sundisc
Basic principle for indirect dark matter searches
R
Sun
bulge disc
From rotation curve:
Forces: mv2/r=GmM/r2
or M/r=const.for v=cons.and(M/r)/r2
1/r2
for flat rotation curve
Expect highest DM densityIN CENTRE OF GALAXY
IF FLUX AND SHAPE MEASURED INONE DIRECTION, THEN FLUX ANDSHAPE FIXED IN ALL (=180) SKY DIRECTIONS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
R1
THIS IS AN INCREDIBLE CONSTRAINT, LIKE SAYING I VERIFYTHE EXCESS AND WIMP MASS WITH 180 INDEPENDENT MEAS.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 28
Instrumental parameters:
Energy range: 0.02-30 GeVEnergy resolution: ~20%Effective area: 1500 cm2
Angular resol.: <0.50
Data taking: 1991-1994Main results: Catalogue of point sourcesExcess in diffuse gamma rays
EGRET on CGRO (Compton Gamma Ray Observ.)Data publicly available from NASA archive
EGRET excessHunter et al. 1997
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 29
Woher erwartet man Untergrund?
Quarks fromWIMPS
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
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 30
Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten
Blue: background uncertainty
Background + DMA signal describe EGRET data!
Blue: WI MP mass uncertainty
50 GeV
70
ICIC
W. de Boer et al., 2005
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 31
Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen
A: inner Galaxy (l=±300, |b|<50)B: Galactic plane avoiding AC: Outer Galaxy
D: low latitude (10-200)
E: intermediate lat. (20-600)F: Galactic poles (60-900)
A: inner Galaxy B: outer disc C: outer Galaxy
D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles
Total 2 for all regions :28/36 Prob.= 0.8 Excess above background > 10σ.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 32
Fits für 180 statt 6 Regionen180 regions:80 in longitude 45 bins4 bins in latitude 00<|b|<50 50<|b|<100
100<|b|<200
200<|b|<900
4x45=180 bins
bulge disk
sun
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 33
Halo density on scale of 300 kpc(from normalization factors in 180 sky directions)
Sideview Topview
Cored isothermal profile with scale 4 kpc Total mass: O(1012) solar masses
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 34
Halo density on scale of 30 kpc
Sideview TopviewEnhancement of inner (outer) ring over 1/r2 profile 6 (8).Mass in rings 0.3 (3)% of total DM
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 35
The Milky Way and its 13 satellite galaxies
Canis Major
Tidal force ΔFG 1/r3
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 36
Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
CM
Sgt
Sun
From David Law, Caltech
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 37
Canis Major Dwarf orbits from N-body simulationsto fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc
Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible), dark matter (1010 M☉, EGRET)
Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibatahttp://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 38
Core of Canis Major Dwarf just below Galactic disc
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 39
Tidal disruption of Sagittarius
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 40
N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
prograde retrograde
Obs
erve
d st
ars R=13 kpc,φ=-200,ε=0.8
Canis Major (b=-150)
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 41
EGRET Excess predicts shape of rotation curve!
Outer RingInner Ring
bulge
tota
lDM
1/r2 halodisk
Rotation Curve
Normalize to solar velocity of 220 km/s
R0=8.3 kpc
R0=7.0v
R/R0
Innerrotationcurve
Outer RC
Black hole at centre: R0=8.00.4 kpc
Sofue &Honma
Note 1: Absolute value of rotation curve depends on distances.But chance of slope can ONLYbe explained by ringlike structure.
Note 2: fact that shape of DM halocan describe shape of RC implies that EGRET excess has exactly right intensity to deliver grav. potential!
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 42
Gas flaring in the Milky Way
no ring
with ring
P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, http://arxiv.org/abs/0704.3925
Gas flaring needs EGRET ring with mass of 2.1010M☉!
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 43
Enhancement of inner (outer) ring over 1/r2 profile 6 (8).Mass in rings 0.3 (3)% of total DM
Inner Ring coincides with ring of dust and H2 -> gravitational potential well!
H2
4 kpc coincides with ring ofneutral hydrogen molecules!H+H->H2 in presence of dust->grav. potential well at 4-5 kpc.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 44
What aboutSupersymmetry?
Assume mSUGRA5 parameters: m0, m1/2, tanb, A, sign μ
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 45
Expected SUSY mass spectra in mSUGRA
mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 46
Gauge unification perfect with SUSY spectrum from EGRET
With SUSY spectrum from EGRET + WMAP data and start values of couplings from final LEP data perfect gauge coupling unification!
Upd
ate
from
Am
aldi
, dB
, F
ürst
enau
, PLB
260
19
91SM SUSY
Also b->s and g-2 agree within 2σ with SUSY spectrum from EGRET
NO FREEPARAMETER
WdB, C. Sander,PLB585(2004). e-Print: hep-ph/0307049
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 47
0
0
WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoilsMeasure recoil energy spectrum in target
Direct Detection of WIMPs
Spin independent Number of nuclei2
(coherent scattering on all nuclei!)
Spin dependent
Spin dependent and indep.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 48
Direct Dark Matter DetectionCRESSTROSEBUDCUORICINO
DAMAZEPLIN IUKDM NaILIBRA
CRESST IIROSEBUD
CDMSEDELWEISS
XENONZEPLIN II,III,IV
HDMSGENIUSIGEXMAJORANADRIFT (TPC)
ER
Phonons
Ionization Scintillation
Large spread of technologies:varies the systematic errors, important if positive signal!All techniques have equally aggressive projections for future performanceBut different methods for improving sensitivity
L. Baudis, CAPP2003
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 49
WärmesignalWärmesignal
LadungssignalLadungssignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K
WIMP WIMP
Ge-Kern
WärmesignalWärmesignal
LadungssignalLadungssignal
ThermometerThermometer
ElektrodenElektroden zurzurLadungssammlungLadungssammlung
GeGe KristallKristallbeibei T= 0,017 KT= 0,017 K
WIMP WIMP
Ge-Kern
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.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 50
Array von Phasenübergangs-
Thermometern
Schnelle (großflächige) Auslese
von Phononen
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Sioder GeEinkristall
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 51
Rückstoß-Energie(keV)
Elektron-Rückstöße
Kern-Rückstöße
Ionisations-Energieschwelle0
0.5
1
1.5
0 50 100 150 200
Kalibration mit 252Cf 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.
Kalibration
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 52
Edelweiss Experiment
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 53
Array von Phasenübergangs-
Thermometern
Schnelle (großflächige) Auslese
von Phononen
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS
Sioder GeEinkristall
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 54
Comparison with direct searches
Note: N90%CL=n <90%CLv>
To get 90%CL one has to assumev and n : v assume Maxwellianand NO corotation of DM halon : assume DM mass from rotation curve to be completely diffuse.
Theory: x-section can be order of magnitude lower due to matrix element uncertainties
Conclusion: can easily move upexp. limits by order of magn.and move down theory by orderof magnitude.
CDMS
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 55
Large uncertainties in direct scattering x-section
Ellis, Olive, Savage, arXiv:0801.3656
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 56
Clustering of DM
An artist picture of what we should see if our eyes were sensitive to 3 GeV gamma rays and we are flying with 220 km/s (=speed of sun) through the DM halo
Diemand et al., Nature 2005,astro-ph/0501589:
The earth passes through a dark matter mini-halo every 10,000 years, an encounter which lasts for about 50 years, therefore most of the time the earth is within an UNDERDENSE region of dark matter.
Consequently the averaged DM density on a large scale (from the rotation curve) has very little to do with the LOCAL DM density!
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 57
Annual Modulation as unique signature
JuneJuneDec Dec95
97
99
101
103
105
-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
±2%
0
25
50
75
100
125
-0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1 1.5
Background
WIMP Signal
JuneJuneDec Dec
Annual modulation: v, so signal in June larger than in December due to motion of earth around sun (5-9% effect).
Junev0
galactic center
Sun 230 km/s Dec.
L. B
audi
s, C
AP
P20
03
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 58
• 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.
0 0cos with t =152.5, T=1.00 yA t t
Running conditions stable at level < 1%
DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73
Schael, EPS2003
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 59
EGRET Überschuss kann:1) Haloprofil bestimmen2) damit äussere Rotationskurve erklären.
(hier gibt es kaum baryonische Materie) 3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV)
Zusammenfassung
Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!Äusserer Ring bestätigt durch Gasflaring.
Resultate praktisch modellunabhängig, denn nur bekanntespektrale Formen des Signals und Untergrundes benutzt,keine modellabhängige Flussberechnungen! Modelle OHNE DM können nicht Spektren in ALLENRichtungen gut bestimmen und liefern keine Erklärung für Rotationskurve und Stabilität der Ringe bei 4 und 14 kpc.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 60
Zukunft
Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit SUPERSYMMETRIE?
LHC Experimente werden ab 2010 klären ob dies stimmt.
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.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 61
1. „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde. Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t = 380.000 yr (Rekombination) mit T ≈ 3.000 K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt. Allerdings dauerte es dann ≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten.
2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-Messungen) mν < 0.23 eV. Da Elektronneutrinos vermutlich die geringste Neutrinomasse besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der Elektronneutrinos bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der WMAP-Daten korrekt ist, wäre damit KATRIN überflüssig, oder?
A: eine unabhängige Bestätigung, dass die Neutrinomassen tatsächlich so klein sind, ist immer gut.
Fragen
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 62
3. Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMB-Polarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?
A: Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch eine Polarization entsteht.
4. Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis auf wenige 10-10 durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber warum ist die Asymmetrie identisch?)
A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachsten GUT's vorhergesagt).
Fragen
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 63
Fragen
5. Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m ≈ 10 μg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls entstanden (Umwandlung „falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen sein, d.h. bereits zur Zeit der Quantenfluktuationen dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind heute in der CMB nachweisbar. Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab. Aber dann: Woher kommt diese Masse?
A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung entstand, z.B. die Brechung einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten, aber gleichzeitig durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die freiwerdende Energie in Masse umwandeln.D.h. vor der Inflation war noch keine Masse vorhanden und Gesamtenergie null.Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass Urknall in einem SL stattfand (siehe nächste Folie).
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 64
Größe und Dichte eines schwarzen Loches.
Radius eines SL:R = 2GM/c2, d.h. wächst mit Masse!
Masse unseresUniversums, die kritische Dichte von 10-
29 g/cm3 (1023 M☼) entspricht,liegt auf diese Linie, d.h. es ist nicht ausgeschlossen, dass wirin einem SL leben.
J. Luminet
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 65
Fragen6. Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere (verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht geben kann.) A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher praktisch schwierig.7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der
Photonen aus der LSS skaliert mit 1/S (λS) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen, müsste deren gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dann kinetische Energie verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem Raum übertragen (Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen der Neutrinoenergie eine „Frequenz“ zuordnen, die S abnimmt?
A: relativistische Materie geht mit 1/S4, nicht relativistische mit 1/S3. Daher werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S4 skalieren /wie Photonen) und bei Temp. T<mν als 1/S3
(wie Teilchen).
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Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)
Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert.Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums nullund Vakuumenergie könnte zur Inflation führenSchwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitationnoch nicht existiert.Wie entstand Leben?1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dassLeben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies unmöglich ist. Wurde akzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohlenstoff gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlichspäter entstanden durch Algen im Ozean, wo sie für UV Licht geschütztwaren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalbder Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in soeiner Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DNA entstehen können und damit dass die Bausteinedes Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.
6+13 Feb, 2009 VL Kosmologie WS08/09, W. de Boer 67
Typische Prüfungsfragen
Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie?Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ?Wie lauten Friedmansche Gleichungen?
Woraus besteht die Energie des Universums?
Wie weiss man das?
Wie unterscheidet sich Dunkle Energie von Dunkler Materie?
Wie kann man DM nachweisen?
Warum akustische Peaks in der CMB?
Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?