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9 Feb. 2007 Kosmologie, WS 06/07, Prof. W. de Boer 1

Vorlesung 14:

Roter Faden:

1. Direkter Nachweis der DM

2. Grand Unified Theories

3. CMS

4. AMS


χ0

χ0

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.


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


Array von Phasenübergangs-

Thermometern

Schnelle (großflächige) Auslese

von Phononen

DM-Suche mit Tieftemperatur-Kalorimetern / CDMS

Sioder GeEinkristall


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

charges recombine in electrodes=> charges get lost

0

0.5

1

1.5

0 50 100 150 200Io

nis

atio

n/R

eco

il R

atio

Recoil Energy (keV)

γ band

nuclear recoil band

GGA1 60Co Calibration

2002 PRELIMINARYEDELWEISS

higher bandgapof amorphoussurface layer

repels charges

improved collection

Direct DM detection in solid state crystals


Annual Modulation as unique signature

JuneJuneDec Dec

95

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: σ ∝ 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


• 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 tω⋅ −⎡ ⎤⎣ ⎦

Running conditions stable at level < 1%

DAMA/NaI 1 to 7: Riv.N.Cim 26 n.1. (2003) 1-73

Schael, EPS2003


Fundamentale Fragen der Teilchenphysik


•

Woher kommt die Masse ?Durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld???

THE “CELEBRITY AT PARTY” MODEL (quarks or leptons)

THE “rumour” model (Higgs particle)Particle Mass determined by strength of interaction with higgs field

SUCHE nach demHiggs Boson wichtigeAufgabe für LHC


LEP,CDF D0 Data Indicate Light Higgs

Daten empfindlich fürHiggsmasse durch Schleifendiagrammemit Higgs Teilchen


Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetry

Symmetrie zwischenFermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)


Gauge Coupling Unification in SUSY


Running of Strong Coupling Constant


mSUGRA Modell

Modell berücksichtigt:

Vereinheitlichung der EichkopplungenVereinheitlichung der SM MassenVereinheitlichung der SUSY Massen

5 freie Parameter:

m0:Massen der Spin 0 Teilchen bei der GUT Skalem1/2: Massen der Spin ½ Teilchen bei der GUT Skaletan β= v2/v1 = Verhältnis der Higgs Vakuumerwartungswerte

der Higgs DublettsA: trilineare Kopplung im Higgs Potential (nicht sehr wichtig)μ: Higgs Mischungsparameter (bestimmt durch elektroschwache

Symmetriebrechung (Vorzeichen jedoch unbekannt)


DM Annihilation in Supersymmetrie

Dominant χ + χ ⇒ A ⇒ b bbar Quark Pair

B-Fragmentation bekannt!Daher Spektren der Positronen,Gammas und Antiprotonen bekannt!

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

χ

f

f

f

f

f

f

Z

Z

W

Wχ± χ0

f~ A Z

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik

≈37 gammas


Erwartetes SUSY particle spectrum

Charginos, neutralinos and gluinos light


EGRET?

Cross sections for Direct DM detection

Without R-parity fastProton decay!

χ χ

q q

Z,h,A

χ q

q χ

q∼


Proton decay expected in GUT’s


Proton decay

R-Parity

Only possible interactions of Lightest Supersymmetric Particle (LSP) withmatter: elastic scattering or production of squarks or sleptons, since at eachvertex there should be always to SUSY particles to get R=+1

Without R-parity fastProton decay!χ χ

q qZ,h,A

χ q

q χq∼


possible evolution of the universe


Be aware: more phasetransitions than GUT one, e.g. Electrow. one.Hence many models to explain Baryon Asym.


Some production diagrams


• Neutralino χ das leichteste supersymmetrische Teilchen d.h. entsteht am Ende der Zerfallskette und entweicht aus dem Detektor da es nicht mit normaler Materie wechselwirkt

• Diese fehlende Transversale Energie die nicht von den Kalorimetern erfasst wird kann zum Nachweis dienen

Mögliches SUSY Ereignis und Nachweis


Main SUSY signature: missing energy


Die zwei Hauptkriterien die der CMS Detektor erfüllen muss um Higgs-Bosonen und Supersymmetrische

Teilchen nachweisen zu können sind:

1. Hermetizität (um fehlende Energie zu bemerken)

2. Identifizierung von Sekundärvertizes (wichtig falls Higgs Teilchen eine Masse von unter 160 GeV hat)

Anforderungen an den Detektor


Prinzip eines Teilchendetektors


e+ e-

Spurdetektor

Magnetspule

Hadronkalorimeter

Elektronkalorimeter

Myonkammern

Photon

Elektron

Quark Jet

Myon (hohe Energie)

(mittlere Ene.)

(kleine Energie)

Prinzip eines Teilchendetektors


Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit


Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor


CMS Collaboration


Pixel endcap disks

214m2 of silicon sensors11.4 million silicon strips65.9 million pixels in final configuration!

The Tracker


• Prinzip: In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden• Durchgehendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare• Trennung im elektrischen Feld• Die resultierende Spannungsänderung wird verstärkt und

detektiert

Halbleiterdetektoren


• homogenes Kalorimeter bestehend aus 61000 PbWO4 Kristallen (kurze Strahlungslänge X0<1cm und hohe Strahlenhärte)

• WW mit den Kristallen über Bremsstrahlung, Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung

• Abwechselnd Paarbildung und Bremsstrahlung => Ausbildung elektromagnetischer Schauer

• Die Energie des Primärteilchens ist proportional zur Intensität des Fluoreszenzlichts

Elektromagnetisches Kalorimeter


Koordinaten: x,y,z bzw. davon ausgehend r, θ und φFür einen Detektor geschickter: Pseudorapidität η statt θ.Man definiert sie als:

Δη invariant unter Lorentztransformationen (Δθ nicht)

• Sampling- (Inhomogenes) Kalorimeter:Schauermedium: Kupfer bzw. StahlNachweismedium: Plastikszintillator bzw. Quarzfasern

• Schauerbildung komplizierter als im elektromagnetischen Schauer da verschiedene Mesonen entstehen können

• π0 Zerfall in zwei γ erzeugt elektromagnetische Subschauer• Intensität des Schauers nimmt wie ab• λhad ist die hadronische Wechselwirkungslänge • Durch Forward Kalorimeter Abdeckung bis |η|<5

Hadronisches Kalorimeter


• Myonendetektor:Driftkammern gefüllt mit Ar-Co2 Gasgemisch

• Beim Durchgang eines Myons ionisiert dieses das Gas• Freigesetzte e- driften zur Anode• Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit

berechnen da Beschleunigung erst nah beim Draht=>

Der Myonen Detektor


Search for the ‘Higgs’ field

•Higgs field particle “decays” into lepton (or quark) pairs according to their mass

Only 1 higgs in 1,000,000,000,000 events


Puzzle

Fi nd 4 s traight t racks.

View along beam line of the inner tracking, with a H 4μ event superimposed. The μare very high energy, so leave straight tracks originating from the centre and travelling to the outside


Puzzle solution

Make a “cut” on theTransverse momentumOf the tracks: pT>2 GeV


Datenraten


Model of AMS-02 on ISS

AMS-02


Model of AMS-02 on ISS


AMS-02 Particle Identification


Expected rates in AMS-02


Charge measurements

B

Ne

P

Ca

FeToF, Tracker, RICH performance verifiedat heavy ion test beam (CERN,GSI)


• During launch acceleration up to 9 g

• The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!)

• Temperature variations between –180 - +50 degree Celsius

• Maximum degasing on ISS: < 1 10-14 g/s/cm2

• Maximum weight 14708 lbs Cost: 10000 $/lbs

• Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V

• Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS

• Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of weight). Cooling without gravity?

Experimental constraints for experiments on the ISS


Karlsruhe

AMS-02 Collaboration


AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle


Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS


Zum Mitnehmen

Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte ⇒ möglicheErklärung für die BaryonasymmetrieHiggs Mechanismus um Massen zu erklärenKandidat für Dunkle MaterieBeseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHCIndirekter Nachweis der Annihilation der DM

(mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung (mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)


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.

A: korrekt

2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-Messungen) mν < 0.23 eV. Da νe die geringste der Neutrinomassen besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der νe 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 kleinsind, ist immer gut.

Fragen


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 allemQuadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch einePolarization 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 einfachtsten GUT's vorhergesagt).

Fragen


Fragen5. 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 der einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten. Gleichzeitig jedoch durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die frewerdende Energie in Masse umwandeln.Na ja, wie sagt Weinberg in seinem Buechlein “Die ersten drei Minuten“: Oft muss man seine eigene Zweifel vergessen und die Annahmen weiterverfolgen, gleichgültig, wohin sie auch führen mögen – es kommt nicht darauf an, von theoretischen Vorurteilen frei zu sein, sondern darauf, die richtigen theoretischen Vorurteilen zu haben.


Fragen

6. 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 (λ∝S) 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).


Größe und Dichte eines SL.

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


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. Wurdeakzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohle 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 Alchen 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 DANN entstehen können und damit dass die BausteineDes Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.


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 Dark Energie von Dark Matter?

Wie kann man DM nachweisen?

Warum akustische Peaks in der CMB?

Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?


AUSBLICK

Hoffnung:

•Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen,woher Ihre Masse kommt

•Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt

•Wir verstehen 27% der Energie des Universums stattbisher 4%

IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei!(Higgsgruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe)

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