Abteilung für Teilchen- & Astroteilchen-Physik
 
 

Forschung: Dunkle Materie


Die Erforschung von Dunkler Materie (DM) und Dunkler Energie im Universum gehören zu den spannendsten Fragen im Bereich der Astroteilchenphysik. Neben der Dunklen Enerie, die ca. 70% der Energiedichte des Universums ausmacht, ist die Dunkle Materie mit ca. 25% eines der Hauptbestandteile des Universums, siehe Abb. 1. Belege fuer die Existenz Dunkler Materie beruhen auf gravitativen Effekten dieser neuen From von Materie, zum Beispiel der Bewegung sichtbarer Sterne, Staub oder Gas in Galaxien (einschließlich der Milchstraße), der Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen, der Strukturbildung im Universum, Temperaturfluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, oder primordialer Kernsynthese. In diesem Jahrzehnt sind dramatische Fortschritte in der Suche nach DM zu erwarten, aufgrund verschiedenster ambitionierter experimenteller Projekte weltweit.

Abbildung 1: Zusammensetzung des Universums: gezeigt sind die Beiträge von Dunkler Energie, Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie bestehend aus Teilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.
Die Zusammensetzung des Universums

Dunkle Materie besteht vermutlich aus einer Teilchensorte, die weder die elektromagnetische noch die starke Kernkraft fühlt. Allerdings ist es eine gut motivierte Annahme, dass DM außer Gravitation auch noch mit einer weiteren (moglicherweise sehr) schwachen Kraft mit normaler Materie wechselwirkt. Solche DM Kandidaten werden in vielen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt und man nennt sie "Weakly Interacting Massive Particles" (WIMPs). Die derzeitige WIMP-Dichte im Universum wird bestimmt durch thermale Prozesse kurz nach dem Urknall, und daher erklärt die WIMP-Hypothese den Anteil der DM an der Gesamtdichte des Universums auf natürliche Weise. Die Annahme schwach wechselwirkender DM kann mit drei komplementären Methoden getestet werden: (a) Suche nach Streuprozessen von DM Teilchen an Atomkernen in Untergrunddetektoren ("direkter Nachweis"), (b) Suche nach Annihilations- oder Zerfallsprodukten von DM Teilchen z.B., im Inneren der Sonne im Zentrum unserer Galaxie ("indirekter Nachweis") und (c) direkte Produktion von DM Teilchen an Teilchenbeschleunigerexperimenten. In einem konkreten Modell für DM können die Signaturen für diese drei Beobachtungsmöglichkeiten im Prinzip vorhergesagt werden, wie Abb. 2 illustriert. In allen drei experimentellen Strategien erwarten wir deutliche Fortschritte in den nächsten Jahren. Die Gruppe arbeitet an phänomenologischen Studien zu den jeweiligen komplementären experimentellen Signaturen und deren Interpretation, und es wird versucht spezifische Erweiterungen des Standardmodells zu konstruieren, die alle zur Verfügung stehenden Daten erkären können.

Abbildung 2: Wechselwirkung von WIMP Dunkler Materie mit Teilchen des Standardmodells. In einem gegebenen Modell gibt es einen Zusammenhang zwischen den Wirkungsquerschnitten für Prozesse relevant für die thermale Produktion im frühen Universum, für den direkten und indirekten Nachweis und für die Produktion an Teilchenbeschleunigern.
Nachweis von WIMP Dunkler Materie

Viele Projekte für den direkten Nachweis dunkler Materie sind im Gange (z.B., CDMS-II, XENON100, COUPP, PICASSO, ZEPLIN). Die nächste Generation solcher Experimente wird Detektoren mit Massen im Bereich von einer Tonne verwenden (z.B., SuperCDMS, EURECA, XENON, LUX, ArDM, WARP, DEAP). Diese Experimente werden die Sensitivität für WIMP Streuquerschnitte um 4-5 Größenordnungen verbessern und somit den interessantesten Parameterbereich für WIMP Modelle abdecken, insbesondere für supersymmetrische Modelle. In der Gruppe werden Daten von direkten DM Suchen analysiert, und Sensitivitätsstudien für zukünftige Projekte durchgeführt. Dies erfolgt in engem Kontakt mit der XENON Gruppe in der selben Abteilung. Beim indirekten Nachweis von DM werden verschiedenste Techniken verwendet um nach Annihilations- oder Zerfallprodukten von DM Teilchen zu suchen. Darunter sind Experimente mit kosmischer Strahlung auf Satelliten (z.B. EGRET, PAMELA, FERMI-LAT, AMS) oder Ballone (z.B., ATIC, HEAT, PPB-BETS), atmosphärische Cerenkovteleskope (HESS, MAGIC) oder Neutrinoteleskope (SuperKamiokande, IceCube, ANTARES, KM3NET). Die verschiedenen Signaturen sind hochenergetische Antimaterieteilchen (Positronen, Antiprotonen, Antideuterium), Gammastrahlung, Radiowellen oder hochenergetische Neutrinos. Von vielen dieser Experimente erwarten wir Ergebnisse in den nächsten Jahren. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN wird in naher Zukunft die Physik an der Energieskala im Bereich von mehreren 100 GeV erforschen, und somit unser Verständnis der elektroschwachen Symmetriebrechung erweitern. Darüber hinaus gibt es verschiedene Argumente die neue Physik jenseits des Standardmodells an dieser Skala vorhersagen. Viele Modelle für diese neue Physik (wie z.B. Supersymmetrie) beinhalten auch ein Teilchen das die DM erklären könnte. Daher erwarten wir dass auch Ergebnisse von LHC zum Verständnis der DM betragen werden. Typischerweise manifestiert sich DM am LHC als "fehlende Energie" in Zerfallsprozessen von anderen schweren Teilchen. Da diese Signatur an sich nur sehr indirekte Informationen liefert wird es wichtig sein LHC Ergebnisse mit Daten von Experimenten der Astroteilchenphysik zu kombinieren um ein konsistentes Bild der DM zu erhalten. Ein mögliches Signal von DM in allen drei Nachweismethoden wird nur sehr indirekte und vage Information über DM liefern. Daher wird es wichtig sein, Daten von direkten, indirekten und Beschleunigerexperimenten zu kombinieren und die Konsistent möglicher DM Interpetationen der Daten zu überprüfen. In spezifischen DM Modellen ist es möglich konkrete Vorhersagen für die verschiedenen Signaturen zu machen, und soche Modelle können daher durch kombinierte Analysen getestet werden. Neben WIMPs gibt es auch eine Reihe alternativer Hypothesen zur Natur der DM, z.B. Axionen, sterile Neutrinos mit Massen im keV Bereich oder Gravitinos. Diese DM Teilchen würden zu völlig anderen experimentellen Signaturen führen, und die Phänomenologie socher DM Kandidaten wird auch in der Gruppe untersucht. Theoretische Arbeiten in diesem Feld beschäftigen sich mit der Konstruktion von Modellen für die verschiedenen DM Kandidaten. Dies beinhaltet klassische WIMPs so wie auch die erwähnten Alternativen. Das Ziel ist es eine konsistente Theorie für Physik jenseits des Standardmodells zu finden, die im Einklang mit allen verfügbaren Daten ist.

 
 


Last modified: Fri 13. October 2017 at 11:40:07