Der Urknall und seine Teilchen Indirekter Nachweis dunkler

Der Urknall und seine Teilchen Indirekter Nachweis dunkler Materie über Gammastrahlung aus DM- Annihilation EGRET (Energetic Gamma Ray Telescope) 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen EGRET

Der Urknall und seine Teilchen Astrophysik: kosmische Gammastrahlung Kosmologie: 23% DM, WQ der DMA bestimmt durch Hubble. Konstante, Bildung von Galaxien Teilchenphysik: Gammaspektrum für BG und DM- Annihilation 22 October 2021 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 2

Indirekter Nachweis von DMA aus EGRET- Messung der diffusen galaktischen Strahlung Gemessene diffuse Gammastrahlung aus allen Richtungen hat das gleiche Energiespektrum WIMP (Weakly Interacting Mass Particle) Masse muss aufgrund des Energiespektrums zwischen 50 - 100 Ge. V Verteilung der DM aus Intensitätsverteilung (Haloverteilung) EGRET- Daten stimmen mit SUSY überein 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 3

Aufbau und Messung EGRET auf dem CGRO (Compton Gamma Ray Observatory)- Satellit Typ: Funkenkammer, Na. I (Ti) Kristall und Plastik- Szintillator Paarerzeugung ( e- + e+) Energie- Bereich: 20 Me. V- 30 Ge. V extrapoliert bis 100 Ge. V EGRET Satellit hat 9 Jahre lang (19912000) Photonen bis 100 Ge. V im Weltall gemessen Überschuss an Photonen in allen Himmelsrichtungen festgestellt Himmelskarte der punktförmigen Gammaquellen mit Energien größer als Hintergrundstrahlung erstellt 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 4

Indirekte DM- Messung mit Gammastrahlung Problem: Bestimmung des Ursprungs der Gammastrahlung Gammaquellen nicht lokalisierbar, da viele auf einer Linie in gleicher Richtung liegen, aber Punktquellen haben höhere Intensität (‘hot spots‘) als Quellen diffuser Gammastrahlung Quellen: 1) p + p 0 + x + + x 2) e + 3) e + N e + + N 4) Extragalaktischer Hintergrund 5) DMA unterscheidbar durch ihre Energiespektren und Himmelskarten Verschiedene Messreihen aus allen Himmelsrichtungen fitten/ interpolieren; statistischer Fehler dominiert in EGRET- Daten, also mit in den Fit einbeziehen Ergebnisse mit Modellen vergleichen 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 5

Fluß Φ der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation 1 / r²: DM- Dichte stieg lokal an nach der Galaxienbildung In diesem Raum: 1 WIMP / coffee cup 105 Durchschnittsdichte für flache Rotationskurve: v = sqrt (GM / r) Messungen: ab 5 kpc konstant / wir : ~ 7 kpc v² M / r = konst (1 pc 3, 262 Lj) = M / V M / r³ = M / r * 1 / r² v : Wirkungsquerschnitt WQ (unabh. von m !) v = 2· 10 -26 cm³/s f: Summe über die Endzustände (Quarks + Leptonen f = 2) bf: Verzweigungsverhältnis (b. Quarks= 0, 9 b. Leptonen= 0, 1) Nf: Teilchenzahl des jeweiligen Endzustands Bl: Boost- Faktor ~ 10 - 100 (~70) in Blickrichtung l 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 6

Fluß Φ der Gammastrahlung aus WIMP- Annihilation ähnliche Gleichung bei: - p + p 0 + x + + x ( gegeben durch Dichte des Gases, am größten in der Disc) - e + , e + N e + + N ( gegeben durch Gamma- und Elektronendichte, am größten in Disc - kosmische Hintergrundstrahlung (isotrop) Energiespektren sehr unterschiedlich, aber bekannt Wirkungsquerschnitte bekannt Dichten nicht genau bekannt, letztendliche Normalisierung bei jeder Messreihe offen lassen Normalisierung begrenzt durch totalen Normalisierungsfehler für EGRET Daten von 15%. Fehler zwischen Datenpunkten: ~7% 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 7

Wirkungsquerschnitt 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 8

HUBBLE- Konstante bestimmt WIMP- Annihilations- WQ Thermal equilibrium abundance Actual abundance Boltzmann Gleichung: n : tatsächliche Teilchendichte der WIMPs n eq: Teilchendichte der WIMPs im GG RS beschreibt Produktion und Vernichtung H – Term berücksichtigt die Verringerung der Dichte durch die Expansion WIMPA ist starke Quelle von Antiprotonen, Positronen und Gammas (Annihilation in Quarks) _ _ T >> M: f + f M+M f + f T < M: M+M f + f T = M / 22: M entkoppelt, Dichte stabil AR ER = v n H v = 2* 10 -26 cm³/s 28. Jan. 2005 T=M/22 : Reaktionsrate H: Expansionsrate Jungmann, Kamionkowski, Griest, PR 1995 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 9

Messungen und Unsicherheiten 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 10

A 2004 Inv. Co B C mp ng hlu tra 0 ton ss em Br Strong, Moskalenko, Reimer, APJ. 613, astro-ph/0406254 Überschuss diffuser Gammastrahlung > 1 Ge. V D A: inner Galaxy (l = ± 30°, |b| < 5°) B: Galactic plane avoiding A C: Outer Galaxy 28. Jan. 2005 E F D: low latitude (10°- 20°) E: intermediate lat. (20°- 60°) F: Galactic poles (60°- 90°) Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 11

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Diffuse - Strahlung für unterschiedliche Himmelsrichtungen A: inner Galaxy B: outer disc D: low latitude E: intermediate lat. C: outer Galaxy F: galactic poles Galaktischen und extragalaktischen Hintergrund DMA gleichzeitig fitten bei gleicher WIMPMasse und DM- Normalisierung in alle Richtungen. Boost- Faktor liegt bei 70 in alle Richtungen Einfluss auf die Statistik > 10 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 13

PS IM W Extrag IC hl al. tr un ng lu ah g des Hintergrunds ss Blauer Bereich: Unsicherheit W em ra PS IM 65 100 Br IC Br Extrag ems al. st 0 0 Ungewissheit bei Hintergrund Signalform bezüglich der WIMP Masse Roter Bereich: Fluss der DMA Gelber Bereich: Hintergrund 28. Jan. 2005 WIMP Masse: 50 - 100 Ge. V Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 14

WIMP- Masse aus Energiespektren EGRET Überschuss über extrapoliertem BG der Daten unter 0, 5 Ge. V Statistical errors only Überschuss hat gleiche Kurvenform in alle Richtungen überall gleiche Quelle Überschüssige - Strahlung hat gleiches Spektrum in alle Richtungen, vergleichbar mit einer WIMP- Masse von 50 - 100 Ge. V 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 15

BG- Unsicherheiten T. Kamae et al, 2004, astro-ph/0410617 III = double break III Ergebnis: Im Datenbereich von 0, 1 - 0, 5 Ge. V sind das Haloprofil, der BG und die WIMP- Masse unabhängig von der Wahl der Ausgleichskurve. Statistischer Fehler vernachlässigbar, da der Fehler zwischen den Datenpunkten 7, 5% beträgt. II BG I 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 17

Dichteverteilung von DM 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 20

Haloprofil xy xy xz xz Erwartetes Profil 28. Jan. 2005 Beobachtetes Profil Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 21

z x y 2003, Ibata et al, Yanny et al. 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 22

1/r²- Profil mit / ohne Ringe für E > 0, 5 Ge. V Mit 2 Ringen OHNE Ringe DISC 5° < b < 10° < b < 20° < b < 90° DISC 10° < b < 20° 5° < b < 10° 20° < b < 90° Halo- Daten: Ausgleichskurven der Längengrad- Fluss- Kurven bei verschiedenen Breitengraden: < 5°, 5° < b < 10°, 10° < b < 20°, 20° < b < 90° 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 23

ta l. D M Rotationskurve To disk 1/r 2 halo bulge Inner Ring Outer Ring 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 24

Rotationskurven anderer Galaxien 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 25

Ursache für die Ringstruktur Apocenter Einfall einer Zwerggalaxie, die keine perfekte sphärische Symmetrie hat in das Gravitationspotential einer größeren Galaxie. Ringartige Struktur mit erhöhter DM- Dichte, deren Dicke und Ausdehnung mehrer kpc beträgt Pericenter Anziehungskraft Gradienten des Gravitationsfelds 1/r³ Auseinanderfall am stärksten im Perizentrum bei großen elliptischen Bahnen 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 26

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BOOST- Faktor 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 30

N- Körper- Simulation kpc- Auflösung Clustern der DM Erhöhung der DMA- Rate Clustergröße: 1014 cm = 10 x Sonnensystem Mmin 10 -8 M סּ Clusterdichte 25 pc-3 (alle 130 Lichtjahre trifft man auf ein Cluster) Anteil der Halo- Masse in Klumpen: 0, 002 Analytische Kalkulation pc- Auflösung Klumpen der Masse Mmin leisten den größten Beitrag bei der DMA viele Ereignisse gleicher Boost- Faktor in alle Richtungen Boost- Faktor < ²>/< >² 10 -100 Effektiver DMA- WQ liegt zwischen 20 - 200· 10 -26 cm³ s-1 gefitteter Boost- Faktor: 20 -100 (abhängig vom BG) 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 31

Ergebnisse aus den Fits für Φ 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 32

Fit- Ergebnisse der Halo- Parameter =2 1/r 2 2 Gaussian Ringe H H 2 4 R [kpc] bei 14 - 18 kpc: Ring von Sternen (Einfall einer Zwerggalaxie: Yanny, Ibata, …) bei 4 kpc: Ring aus neutralen Wasserstoff- Molekülen Masse in den Ringen 1. 6 and 0. 3% der gesamten DM 28. Jan. 2005 Parameter Wert 2 2 0 R 0 8, 5 kpc a 4 kpc 0 0, 42 Ge. V/cm³ a 1, 8 - 3, 3 Ge. V/cm³ b 1, 2 - 2, 1 Gev/cm³ b/a 0, 9 c/a 0, 8 Ra 4, 3 kpc Rb 14 kpc Ra 3, 4 kpc Rb 2, 1 kpc za 0, 3 kpc zb 1, 3 kpc B 20 - 100 < v> siehe WMAP Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 33

Einige interessante Daten Entfernung zur Sonne Entfernung zum nächsten Stern ( Centauri) Dicke der Milchstrasse Entfernung zum galaktischen Zentrum Radius der Milchstrasse Entfernung zur nächsten Galaxie (LMC) Entfernung zum Andromeda- Nebel Größe von Galaxienhaufen Entfernung zum Zentrum des nächsten Superhaufens Größe von Superclustern Hubble Radius 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 8’ 15‘‘ 1, 3 pc 0, 3 kpc 8 kpc 12, 5 kpc 55 kpc 770 kpc 1 - 5 Mpc 20 Mpc / h 50/h Mpc 3000/h Mpc 34

Vergleich der Daten mit SUSY 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 35

DM- Vernichtung in der SUSY f ~ f f f A W f f Z 0 W Z entscheidende Diagramm des WMAP- WQ + A _ MONOENERGETISCHE b b Quark- Paar Gammaspektren von den Quarks MONOENERGETISCHE am LEP erforscht! Galaxy = SUPER-B-factory mit Intensität die 40 Größenordnungen über der von Menschen gemachten B-factories 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 36

SUSY- Massenspektrum in MSUGRA passt zu WMAP und EGRET (minimal supergravity grand unification)) LSP größtenteils Bino DM vielleicht supersymmetrische Partner von CMB Charginos, neutralinos und gluinos light (Cosmic Mircowave Background) 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 38

Zusammenführen der Kopplungskonstanten SM SUSY Update from Amaldi, d. B, Fürstenau, PLB 260 1991 Mit dem SUSY- Spektrum aus den EGRET- Daten kreuzen sich die Kopplungskonstanten in einem Punkt. s=0. 123 ist die Vereinheitlichung der drei Kopplungskonstanten in diesem Punkt. 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 39

Vergleich mit direkten DM Nachweismethoden Spinabhängig Spinunabhängig DAMA LIN P ZE Ed MS D C iss e elw Projections Voraussagen aus den EGRET- Daten setzten Supersymmetrie voraus 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 40

Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: • Überschuß gemessen • Entspricht WIMP- Masse von 50 - 100 Ge. V • DM wahrscheinlich SUSY- Partner der CMB (Hintergrundstrahlung) Zukünftige Experimente: • Pamela (2005) Antiprotonen, Positronen • GLAST (2007) Gammas (höherer Energien, Nachfolger von EGRET) • AMS (2008) alle Nukleonen, Gammas, Positronen, Antiprotonen • LHC • ILC(500) 28. Jan. 2005 alle SUSY- Teilchen? Charginos, Top- Quark, Higgs- Teilchen Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 41

Literatur Louvain, Prof. de Boer Kosmo- Vorlesungsskript, Prof. de Boer www. wissenschaft-online. de www. wikipedia. de 28. Jan. 2005 Der Urknall und seine Teilchen - EGRET 42