10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer1 Gravitationslinsen Rotationskurven Indirekter Nachweis...
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10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 1
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)
Nachweismethoden der DM
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 2
Gravitationslinsen
ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld
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Gravitationslinsen
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 4
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 5
http://www.sciam.com/
August 22, 2006
Simulation der “Colliding Clusters”
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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!
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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.
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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)
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 9
Do we have Dark Matter in our Galaxy?
RotationcurveSolarsystem
rotation curveMilky Way
1/r
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 10
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)
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 11
• Für Ensemble wechselwirkender Systeme im mechanischen Gleichgewicht gilt
• Für N Teilchen, also N(N-1)/2 Teilchenpaaren
Für N groß: und
02 PotKin EE
02
)1(2
2
r
mNNGvmN
NN 1 G
vrMmNx
2222 mm
Erwarte also für ´Gas` gravitativ wechselwirkender Teilchen M r ! Aber dann: vrot
2M/r = konst -> flache Rotationskurve
Virialsatz
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 12
Expansion rate of universe determines WIMP annihilation cross section
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
T=M/22Com
ovin
g nu
mbe
r de
nsity
x=m/TGary Steigmann/ Jungmann et al.
WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s
DM increases in Galaxies:1 WIMP/coffee cup 105 <ρ>. DMA (ρ2) restarts again..
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 into lighter particles, likequarks and leptons -> 0’s -> Gammas!Only assumption in this analysis:WIMP = THERMAL RELIC!
10-9s
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 13
• 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?
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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 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 WIMPSSupersymmetrische Partner der CMBd.h. Spin ½ Photonen (Photinos genannt).
†
†
?
?
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Simple 3-Component Galaxy: p+e+Wimps
Interactions:
p+e <->H electromagnetic x-sectionp+p -> X strong x-section: 10-25 cm2
p+W -> p+W x-section:<10-43 cm2 (direct DM searches)W+W -> X x-section: 10-33 cm2 (Hubble expansion)
These cross sections are exactlyorder of magnitude predicted by SUSY!
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Example of DM annihilation (SUSY)
Dominant + A b bbar quark pairSum of diagrams should yield<σv>=2.10-26 cm3/s to getcorrect relic density
Quark fragmentation known!Hence spectra of positrons,gammas and antiprotons known!Relative amount of ,p,e+ known as well.
f
f
f
f
f
f
Z
Z
W
W 0
f~ A Z
≈37 gammas
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Indirect Dark Matter Searches in theLight of ATIC, FERMI, EGRET and PAMELA
Annihilation products fromdark matter annihilation:
Gamma rays(EGRET, FERMI)
Positrons (PAMELA)
Antiprotons (PAMELA)
e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos (Icecube, no results yet)
e-, p drown in cosmic rays?
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IF DM particles are thermal relics from early universethey can annihilate with cross section as large as <v>=2.10-26 cm3/s which implies an enormous rate of gamma raysfrom π0 decays (produced in quark fragmentation) (Galaxy=1040 higher rate than any accelerator)
Expect significant fraction of energetic Galactic gamma rays to come from DMA in this case.Remaining ones from pCR+pGAS-> π0+X , π0->2γ (+some IC+brems)This means: Galactic gamma rays have 2 componentswith a shape KNOWN from the 2 BEST studied reactionsin accelerators: background known from fixed target exp. DMA known from e+e- annihilation (LEP)
Conclusion sofar
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Anmerkungen zur indirekten Suche nach DM
Gamma rays: •keine Ablenkung durch das Galaktische Magnetfeld• zeigen daher in Richtung der Quelle•kaum Abschwächung in der Galaxie bei GeV Photonen• Astrophysikalische Quellen als Punktquellen erkennbar und können daher subtrahiert werden • Untergrund hat anderes (aber bekanntes) Spektrum als DMA Signal. Durch gleichzeitiges Fitten von Form des Spektrums für Signal und Untergrund können beide Beiträge direkt aus den Daten bestimmt werden, wenn man die Normierung als freier Fitparameter behandelt (data driven analysis)
Geladene Teilchen:•Ablenkung durch das Galaktische Magnetfeld, sie zeigen daher nicht in Richtung der Quelle•Wahrscheinlichkeit, dass z.B. Antiproton aus DMA im Detektor ankommt, stark abhängig vom Propagationsmodell•Keine Trennung von astrophysikalischen Punktquellen möglich
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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
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Energy loss times of electrons and nuclei
Protons diffuse for long times without loosing energy!
-1 = 1/E dE/dt
univ
If centre would have harder spectrum, then hard to explain why excessin outer galaxy has SAME shape (can be fitted with same WIMP mass!)
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 22
Usual astrophysicist’s search strategies
Particle physicist: get rid of modeldependence by DATA DRIVEN calibration
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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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 24
Two results from EGRET paper
Enhancement in ringlike structure at 13-16 kpc
Called “Cosmic enhancement
Factor”Excess
101 Eγ GeV
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 25
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 26
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.
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 27
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!
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 28
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☉!
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 29
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.
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FERMI measures GeV gamma rays + electrons
e+
e–
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 31
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 32
PublishedFERMI dataon VELA pulsar:agrees within errorswith EGRET at 3 GEVastro-ph/0812.2960
20% EGRET
Diffuse gamma rays from FERMI
100%
Why diffuse spectrum disagrees 100% with EGRET at 3 GeVwhile VELA spectrum agrees with EGRET at 3 GeV within 20%?
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 33
Indirect Dark Matter Searches using charged particles
Annihilation products fromdark matter annihilation:
Gamma rays(EGRET, FERMI)
Positrons (PAMELA)
Antiprotons (PAMELA)
e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos (Icecube, no results yet)
e-, p drown in cosmic rays?
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Resurs Dk1 Satellite
300 - 600 km
Bottom Scintillator
Transition Radiation Detector
(removed for tech.reasons)
Time of Flight Counters
Silicon Tracker and Permanent Magnet
Si-W Electromagnetic Calorimeter
Neutron Detector
Anticoincidence Shield
1.2 m
20.5 cm2sr
~450 kg
~10 T
The PAMELA Satellite Experiment (launched July 2006)
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 35
Positron fraction
PAMELA, positron and antiproton measurements
Positrons: excess
Galprop Pamela
Nature 458:60,2009,arXiv:0810.4995
Antiprotons: NO excess
Antiproton/proton ratio+prelim. new data, Boezio, Pamela-WS 2009
(O. Adriani et. al., PRL (2009)[0810.4994])
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 36
ATIC Balloon experiment, Nature 2008
Kaluza-Klein DM decays to lepton pairs ->peak in electron spectrum with tail from energy losses
Baltz, Hooper, hep-ph/0411053Hooper, Zurek, 0902.0593
KK x-section Y4
so mainly decay to leptons and u-quarks
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 37
Alexander Moiseev Pamela workshop May 11, 2009
FERMI electron spectrum: NO BUMP at 600 FERMI electron spectrum: NO BUMP at 600 GeVGeV
Simulating the LAT response to a spectrum with an “ATIC-like” feature:
This demonstrates that the Fermi LAT would have been able to reveal “ATIC-like” spectral feature with high
confidence if it were there. Energy resolution is not an issue with such a wide feature
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 38
HESS MAGIC
Cherenkov telescopes measure TeV gamma rays
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 39
HESS, May 2009
Electron spectrum falls off above 1 TeV
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 40
Interpretations for charged particle anomaliesMany possibilities: Background from hadronic showers with large electromagnetic component -> ap->0
astrophysical sources pulsars -> apulsar
positron acceleration in SNR -> asec
locality of sources -> aSNR
dark matter annihilation -> aDMA leptophilic? bound states? Kaluza-Klein
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 41
Truth?Depends on whom you ask!
My assumption:
|Data>= ap->0 |Background> + aDMA |DMA>+ asec |SNR> + alocal |SNR(x)> + apulsar |Pulsar>
Unitarity must be fulfilled. However, will nowshow that each component has enough uncertaintyto saturate observations
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 42
aDMA:DM interpretation of FERMI e-data
Models e.g. by Arkani-Hamed,Finkbeiner,Slatyer,WeinerarXiv:0810.0713 Nomura and Thaler,arXiv:0810.5397
Fit by Bergstrom et al.arXiv:0905.0333
TeV DM decaying to low scaleparticle, which can onlydecay leptonically
TeV DM forms bound state to get large boost factor via Sommerfeld enhancement
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 43
aloc :3-component e- sources: spiral arm, disc, local
3-component structureexplains e-spectrum,Pamela/Fermi anomaliesand why nothing in pbar
Shaviv et al., arXiv:0902.0376,2009sp
iral a
rm
near sources
positrons
disc
e loose energy rapidly
(dE/dt E2), hence they are
“local”
It can work!
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 44
What aboutSupersymmetry?
Assume mSUGRA5 parameters: m0, m1/2, tanb, A, sign μ
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 45
Example of DM annihilation (SUSY)
Dominant + A b bbar quark pairSum of diagrams should yield<σv>=2.10-26 cm3/s to getcorrect relic density
Quark fragmentation known!Hence spectra of positrons,gammas and antiprotons known!Relative amount of ,p,e+ known as well.
f
f
f
f
f
f
Z
Z
W
W 0
f~ A Z
≈37 gammas
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 46
Expected SUSY mass spectra in mSUGRA for EGRET WIMP mass of 60 GeV
mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 47
Annihilation cross sectionsin m0-m1/2 plane (μ > 0, A0=0)tan=5 tan=50
bb t t
WW
bb t t
WW
For WMAP x-section of <v>2.10-26 cm3/s one needs large tanβ
10-2410-27
EGRETWMAP
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 48
Mt2=(4)2Yt v2
2 Mb2=(4)2Yb v1
2
Mt/Mb = tan
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 49
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 50
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 51
tan ß = 20
EWSB: MZ2/2=(m1
2-m22 tan2ß)/ (tan2ß-1) -m2
2 for large tan ß
Pseudoscalar Higgs: MA2 = m1
2+m22 becomes very small if YtYb at large tb
(Mt2/Mb
2) = (Yt v2 sin2ß)/(Yb v2 cos2ß)=(Yt/Yb) tan2ß tan ß 53 for YtYb
tan ß = 51
m22 Yt
m12 Yb
m12 Yb
m22 Yt
EWSB requirement leads to small MA at large tan ß
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 52
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 53
Momentum dependence of annihilation cross section
v
S-wave P-wave
decoupling ns after BBM=60 GeV M=50 GeV
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 54
Expected SUSY mass spectra in mSUGRA for EGRET WIMP mass of 60 GeV
mSUGRA: common masses m0 and m1/2 for spin 0 and spin ½ particles
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 55
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 56
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 57
Coannihilations vs selfannihilation of DM
If it happens that other SUSY particles are around atthe freeze-out time, they may coannihilate with DM.E.g. Stau + Neutralino -> tau Chargino + Neutralino -> W
However, this requires extreme fine tuning of masses,since number density drops exponentially with mass.
But more serious: coannihilaition will cause excessive boostfactorsSince anni = coanni + selfanni must yield <v>=10-26 cm3/s.This means if coannihilation dominates, selfannihilation 0In present universe only selfannihilation can happen, sinceonly lightest neutralino stable, other SUSY particles decayed,so no coannihilation. If selfannihilation x-section 0, no indirectdetection.
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 58
0
0
WIMPs elastically scatter off nuclei => nuclear recoilsMeasure recoil energy spectrum in target
Direct Detection of WIMPs
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 59
Direct Detection of WIMPs
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 60
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 61
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.
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 62
Der Edelweiss Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 63
Edelweiss Experiment (in Frejus-Tunnel in französichen Alpen)
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 64
Array von Phasenübergangs-
Thermometern
Schnelle (großflächige) Auslese
von Phononen
DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS
Sioder GeEinkristall
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 65
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 66
Der Edelweiss Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 67
Der XENON 10 Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 68
Der XENON 10 Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 69
Der XENON 10 Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 70
Der XENON 10 Detektor
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 71
Comparison with direct searches
Note: N90%CL=n <90%CLv>
To get 90%CL one has to assumev and n : v assumed 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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 72
Large uncertainties in direct scattering x-section
Ellis, Olive, Savage, arXiv:0801.3656
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 73
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
10.07- 2009 VL Kosmologie SS/09, W. de Boer 74
• 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
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Warum muss DM kalt sein, d.h. nicht-relativistisch?
Antwort: Aus Galaxien-Dichteverteilung!
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DM bildet Filamente erhöhter Dichte mit Galaxien und Leerräumen dazwischen
Simulation (jeder Punkt stellt eine Galaxie dar)
Steinmeitz, Potsdam
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Kriterium für Gravitationskollaps:Jeans Masse und Jeans Länge
Gravitationskollaps einer Dichtefluktuation, wenn Expansionsrate 1/tExp H G langsamer als die Kontraktionsrate 1/tKon vS / λJ ist.
Oder die Jeanslänge (nach Jeans), d.h. die Länge einer Dichtefluktuation,die unter Einfluß der Gravitation wachsen kann, ist von der Größenordnung λJ = vs/ G (vS ist Schallgeschwindigkeit)(exakte hydrodynamische Rechnung gibt noch Faktor größeren Wert)
Nur in Volumen mit Radius λJ /2 Gravitationskollaps. Diesentspricht eine Jeansmasse von
MJ = 4/3 (λJ/2)3 = (5/2 vs3 ) / (6G3/2)
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Die Schallgeschwindigkeit fällt a) für DM wenn die Strahlungsdichte nicht mehr dominiert und b) für Baryonen nach der Rekombination um viele Größendordnungen (von c/3 für ein relat. Plasma auf 5T/3mp für Wasserstoff) D.h. DF die vor Rekombination stabil waren, kollabieren durch Gravitation.Galaxienbildung in viel kleineren Bereichen möglich, wenn vS klein!
Abfall der Schallgeschwindigkeit nach tr
wenn Photonkoppelung wegfällt
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Evolution of the universe
T / T
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Jeans Masse vs. Schallgeschwindigkeit
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Große Jeanslänge (relativistische Materie, Z.B. Neutrinos mit kleiner Masse)
Kleine Jeanslänge (non-relativistische Materie, Z.B. Neutralinos der Supersymmetrie)
Top-down versus Bottom-up
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HDM (relativistisch vS =c/3) versus CDM
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Oder für gemischte DM Szenarien …
Colombi, Dodelson, & Widrow 1995
Structure is smoothed out in model with light neutrinos
CDM WarmDM C+HDM
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Millenium Simulation
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• 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 beobachtet?
Dunkle Materie, was wissen wir?
From CMB + SN1a
LHC Experimente werden ab 2010 klären ob dies stimmt.