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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

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Gravitationslinsen

Rotationskurven

Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

Nachweismethoden der DM

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Gravitationslinsen

ART: Die Ausbreitung von Licht ändert sich beim Durchgang durch ein Gravitationsfeld

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Gravitationslinsen

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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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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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Do we have Dark Matter in our Galaxy?

RotationcurveSolarsystem

rotation curveMilky Way

1/r

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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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• 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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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)

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• 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

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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 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).

?

?

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Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetrie

Symmetrie zwischenFermionen Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

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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.

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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

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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)

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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 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

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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

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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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Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten

Blue: background uncertainty

Background + DMA signal describe EGRET data!

Blue: WI MP mass uncertainty

50 GeV

70

ICIC

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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.

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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

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x y

z

2002,Newberg et al. Ibata et al, Crane et al. Yanny et al.

1/r2 profile and ringsdetermined from inde-pendent directions

xy

xz

Expected Profile

v2M/r=cons.and

(M/r)/r2

1/r2

for const.rotation

curveDivergent for

r=0?NFW1/r

Isotherm const.

Verteilung der DM

Halo profile

Observed Profile

xy

xz

Outer RingInner Ring

bulge

tota

lDM

1/r2 halodisk

Rotation Curve

Normalize to solar velocity of 220 km/s

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Honma & Sofue (97)Schneider &Terzian (83)Brand & Blitz(93)

Rotationskurve der Milchstrasse

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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 Teilam Perizentrum verlieren -> ringförmige Strukturen vonGas, Sternen und Dunkler Materie.

Apocenter

Pericenter

Dies wurde tatsächlichbeobachtet bei 14 kpc:

1)Wasserstoffring längst bekannt

2) Ring alter, kaum sichtbarer Sterne entdeckt mit Sloan Digital Sky Survey in 2003 (109 M!)

3) Verstärkte Gamma Strahlung bei 14 kpc schon in 1997,Dass dies Spektrum der DMAentspricht, 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

Sgt

Sun

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 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

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Tidal disruption of Sagittarius

Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/

Sagittarius dwarf observedby Hubble Space Telescope

(NASA )

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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)

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ConclusionComparing gamma rays above and below Galactic diskis excellent way to search for tidal streams,since systematic errors cancel and foreground fromdiffuse 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

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☉!

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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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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.

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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

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Array von Phasenübergangs-

Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern/CDMS

Sioder GeEinkristall

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reduced charge collection from surface events=> add amorphous Ge-layer

charges recombine in electrodes=> charges get lost

higher bandgapof amorphoussurface layer

repels charges

improved collection

Direct DM detection in solid state crystals

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Annihilation cross sectionsin m0-m1/2 plane (μ > 0, A0=0)

bb t t

WW

10-24

EGRETWMAP

Annihilation cross sections can be calculated,if masses are known (couplings as in SM).Assume not only gauge couplingUnification at GUT scale, butalso mass unification, i.e. allSpin 0 (spin 1/2) particles have masses m0 (m1/2).

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 particles

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EGRET?

Cross sections for Direct DM detection

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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

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• 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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EGRET Überschuss kann:1) Haloprofil bestimmen2) damit äussere Rotationskurve erklären.

(hier gibt es kaum baryonische Materie) 3) WIMP Masse bestimmen (50-100 GeV) 4) Statistische Signifikanz > 10 σ!

Zusammenfassung

Rekonstruktion der Rotationskurve aus GAMMA Daten->EGRET Überschuss = Tracer der Dunklen Materie!

Resultat 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.

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Zukunft

Ist die gefundene WIMP Masse konsistent mit SUPERSYMMETRIE?

LHC Experimente werden ab 2008 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.

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Clustering of DM -> boosts annihilation rate

Clumps with Mmin -> dominantcontribution -> MANY clumps in given direction -> same boostfactor in all directions

Annihilation SQUARE of DM density

Clustersize: ≈ Solarsystem?Mmin 10-8 -10-6 Mּס?Steeply falling mass spectrum. Boost factor <2>/<>2 20-2000From fit: B≈100 for WIMP of 60 GeV