High Fly Intro in Dunkle Materie

1. Dunkle Materie
Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com

2. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com

3. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Galaxie
Galaxie-Cluster

4. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Folgendes Problem ist durch Beobachtungen
aufgetreten:
Es fehlt Masse! Die Gravitation kann die Strukturen
im Universum mit der bestehenden Masse nicht
‘stabilisieren’.
???

5. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Exkurs Rotverschiebung
z =
✓
v + c
v c
◆1/2
1

6. Leuchtkraft-Masse Beziehung liefert eine weitere Abschätzung der Masse
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Fritz Zwicky und der Coma-Haufen
Rotverschiebung Geschwindigkeit Masse
Doppler-Effekt 500 km/s - 1000 km/s Virial-Theorem
L ⇡ M3.5
Typische Massen: 1014 - 1015 Sonnenmassen
M/L = 100 Ms/Ls

7. Vera Rubin untersuchte die Rotationskurven
von Sternen in Galaxien.
!
Ihre Ergebnisse bestätigten den Befund von
Fritz Zwicky’s Untersuchungen.
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Vera Rubin und Rotationskurven
Vera Rubin um 1970 Carnegie Institute
der Zugang nach Princeton wurde ihr verweigert

8. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Vera Rubin und Rotationskurven
Distanz
Geschwindigkeit
Rotations-Kurve
für einen Festkörper
Kepler Rotationskurve

9. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Vera Rubin und Rotationskurven
Distanz
Geschwindigkeit
Beobachtet
Theorie

10. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Vera Rubin und Rotationskurven
Reale Messungen

11. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Gravitations Linsen
Eine grosse
Ansammlung
von Massen
lenkt Licht
ab.

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Gravitations Linsen
Der Effekt wird durch
die ‘Verkrümmung’
der Raum Zeit hervorgerufen.

13. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Gravitations Linsen

14. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Gravitations Linsen
Die beobachtbare Masse reicht nicht aus,
um Linseneffekte zu erklären.

15. Beobachtungen geben Indizien für fehlende Masse
• Bewegungen von Galaxien in Galaxie Cluster
• Rotationskurven von Sternen in Galaxien
• Gravitations-Linsen
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16. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
‘Normale Materie’ ist die Ausnahme

17. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Wo versteckt sich
die dunkle Materie?
Überall:
z.B. sphärisch um
die Galaxien
(Halo).
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18. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Was nun?
Folgende Optionen stehen
zur Verfügung:
!
A) neue Theorie der
Gravitation (z.B. MOND)
!
B) wir suchen die fehlende
Masse
!
C) wir ‘erfinden’ neue
Masse
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19. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Was nun?
Folgende Optionen stehen
zur Verfügung:
!
A) neue Theorie der
Gravitation (z.B. MOND)
!
B) wir suchen die fehlende
Masse
!
C) wir ‘erfinden’ neue
Masse
A) neue Theorie der
Gravitation (z.B. MOND)
!
Wurde durch Monti Milgrom eingeführt (1982).
Kann die Gravitations-Kurven von Galaxien
erklären.

20. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
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Was nun?
Folgende Optionen stehen
zur Verfügung:
!
A) neue Theorie der
Graviation (z.B. MOND)
!
B) wir suchen die fehlende
Masse
!
C) wir ‘erfinden’ neue
Masse
B) wir suchen die fehlende Masse
!
Neutrinos, braune Zwerge und andere ‘dunkle’
Objekte

21. Die Gravitation ‘macht’ die grossen Strukturen
Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Was nun?
Folgende Optionen stehen
zur Verfügung:
!
A) neue Theorie der
Graviation (z.B. MOND)
!
B) wir suchen die fehlende
Masse
!
C) wir ‘erfinden’ neue
Masse
C) wir ‘erfinden’ neue Masse
!
WIMP’s: weakly interacting massive particles
sind zur Zeit die ‘besten’ Kandidaten.

22. Dr. Marcel Blattner, blattnem@gmail.com
Wir ändern die Theory (MOND)
Newton:
Kraft = Masse x Beschleunigung
!
MOND:
Kraft = Masse x Beschleunigung x Faktor
F = maμ(a/a0)a v = Gm0a0
Geschwindigkeit hängt nicht mehr vom Abstand
ab (flache Rotationskurve)

23. Wir suchen die fehlende Masse MACHOs
Braune Zwerge, weisse Zwerge
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und Neutronensterne
MACHOs können nur ca. 20% der
fehlenden Masse erklären.

24. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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• keine elektromagnetische WW
• gravitative WW
• stabil (ohne starke WW)
Diese Teilchen existieren im Standardmodel nicht!
Die Materie ist nicht baryonisch

25. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
Jährliche Modulation der Streurate
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Der direkter Nachweis der dunkle Materie erfolgt über die
elastische WIMP-Kernstreuung. Dabei wird die Energie des
Rückstoßkern beobachtet.
Wichtig nur elastische
WIMP-Kernstreuung.
Keine inelastische WIMP
Streuung, da die
kinetische Energie zu
gering ist.
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Durch von Geschwindigkeits-vektor
und vE sich der unterschiedlich durch Modulation Streuraten
Dieser ⇠ 2 − Modulation der Streuraten
durch unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten
WIMPs - Erde zu verschiedenen
Jahreszeiten.

26. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Experimente zum Nachweis von DM
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• Detektionsprinzip: NaJ Szintillation
• Stossmaterial: 250 kg NaJ
• Auslese: Detektion über Licht
• Ziel: Messung der jährlichen modulierten
Streurate

27. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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28. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Modulation wurde nachgewiesen.
Resultate sind aber umstritten.

29. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
• Modulation durch Einfluss der Temperatur (Sommer/Winter)
• Untergrundstrahlung kann nicht ausgeschlossen werden
da nur ein Detektionsprinzip verwendet wurde
• Kein anderes Experiment kann dieses Phänomen beobachten
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30. Wir konstruieren die fehlende Masse - WIMPs
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Bis jetzt gibt es keine schlüssigen
Resultate und die dunkle Materie
bleibt soweit “dunkel”.