1

2 Astrophysik & TeilchenphysikDunkle Materie im Universum Dunkle Materie bei TESLA TESLA Achim Stahl DESY Zeuthen Potsdam – 16. Jun. 2004

3 Astrophysik & Teilchenphysik DESY Zentrum für Teilchenphysik

4 Inhalt Dunkle Materie im Universum SUSY: Ein teilchenphys.Modell dunkler Materie Das TESLA-Projekt

5 Dunkle Materie

6 Rotationskurven von GalaxienRotationsgeschwindigkeit v2 = GN M / r bei großem Radius Messung: Dopplerverschiebung von Spektrallinien

7 Rotationskurven von GalaxienDark Matter Halo: ρ ~ 1/r2 80 – 90% der Galaxie

8 Was ist Dunkle Materie I:Nicht leuchtende baryonische Materie leichte Kerne: Wasserstoff, Helium, etc. Exotische, schwach ww. Teilchen Hot Dark Matter: relativistische Teilchen Cold Dark Matter: nicht-relativistische Teilchen Dunkle Materie

9 ? Baryonische Materie Unbekannt:Himmelskörper kleiner als Sterne: Planeten, Zwerge  MACHO: MAssive Compact Halo Object ? Gas Staub Planeten Sterne Galaxien Haufen Nachweis durch Absorption Nachweis durch Lichtemission

10 HelligkeitsvariationMACHOs Sterne in der gr. magellanschen Wolke MACHOs im Halo der Milchstraße MACHOs nachgewiesen aber <20% des Halos Helligkeitsvariation auf der Erde

11 Baryonische Materie Gibt es Objekte zwischen Staub und Planeten im Universum? Gas Staub Planeten Sterne Galaxien Haufen Nachweis durch Absorption Nachweis durch Lichtemission z.B. verschwundene Kopien des ‘Astrophysical Journal’ ?

12 Fusion im frühen UniversumEntstehung der Elemente Fusion im frühen Universum (t = 4…10 min) Baryonendichte bestimmt die Fusionsraten ρBaryon < ρcrit.

13 Strukturbildung im Universum≤ Jahre Plasma: e, p, n, γ Dichtefluktuationen Strahlungsdruck Gravitation balanciert  dynamische Gleichgewicht

14 Strukturbildung im UniversumJahre Rekombination H-Atome, γ Dichtefluktuationen Gravitation Hintergrundstrahlung: Abbild der initialen Fluktuation Gravitation verstärkt Fluktuationen zu makroskopischen Strukturen

15 Strukturbildung im UniversumJahre Rekombination H-Atome, γ Dichtefluktuationen Hintergrundstrahlung: Abbild der initialen Fluktuation Gravitation verstärkt Fluktuationen zu makroskopischen Strukturen

16 Strukturbildung im Universum IIv≈c eher unwahrscheinlich ! Hot Dark Matter Gravitation verstärkt Dichtefluktuationen zu großräumigen Strukturen HDM entweicht aus kleinen Fluktuation Zunächst werden nur große Fluktuation verstärkt Universum kühlt sich ab HDM wird nichtrelativistisch Nun können auch kleiner Fluktuationen verstärkt werden

17 Neutrinomassen Oszillationen m22 – m12 ≈ ( 9 meV)2Direkte Messung m(νe) < eV m(νμ) < 190 keV m(ντ) < 18 MeV Hot Dark Matter: m(ν) = 20 … 60 eV

18 Suche nach WIMPs Cold Dark Matter Weakly Interacting Massive ParticlesNachweis in Untergrundlabors: - Ionisation - Thermische Ausdehnung annual modulation of spectrum

19 Suche nach WIMPs Signal von DAMA Widerspruch von CDMS Situation unklar

20 Zusammensetzung des UniversumsZusammenfassung: Dunkle Materie Zusammensetzung des Universums (relative zu ρcrit.) total: ± 0.02 dunkle Energie: ± 0.04 Materie: ± 0.04 darunter: Baryonen: ± 0.004 Sterne: ≈ 0.004 MACHOs: < 0.05 Neutrinos: ≥ 0.001, ≤ 0.18 WMAP Plus dunkle Materie

21 Zusammenfassung: Dunkle MaterieBaryonen: Keine Kandidaten Probleme mit Elemententstehung Hot Dark Matter: Neutrinos als Kandidaten ausgeschlossen Probleme mit Strukturbildung Cold Dark Matter: Passt zu allen Astro-Daten Viele Teilchen-Modelle bieten Kandidaten an Exp. Suche bisher erfolglos Dunkle Materie

22 Dunkle Materie ... ... in der Teilchenphysik

23 Bsp.: Supersymmetrie

24 Supersymmmetrie gebrochenTeilchenspektrum Fermionen  Bosonen Bosonen  Fermionen Supersymmmetrie gebrochen m(X) ≠ m(X) ~

25 Motivation 1: Hierarchie Problem  Higgsmasse Elektronenmasse f H e ~δmH ≈ 1020 GeV Elektronenmasse  Strahlungskorrekturen δme ≈ 0.2 me m = (m0 – δm) e f ~ H δmH ≈ GeV δmH ≈ 6 (Λ/v)2 (mH2 + mZ2 + 2 mW2 – 4 mf2) mH = GeV GeV

26 Vereiningte WechselwirkungenMotivation 2: Vereiningte Wechselwirkungen An der GUT Skala werden elektromagnetische WW schwache WW starke WW gleich stark Ideen zur Vereinigung mit Gravitation enthalten Supersymmetrie

27 Motivation 3: Dunkle Materie

28 SUSY Phaenomenologie R-Parität = +1 R-Parität = -1In den meisten Modellen: R-Paritäts-Erhaltung (Das Produkt der R-Paritäten aller beteiligten Teilchen ändert sich nicht.)

29 Teilchenerzeugung e- e+ R-Parität = +1 R-Parität = +1Produkt R-Parität: +1

30 Teilchenerzeugung R-Parität = +1 e+ e- γ Produkt R-Parität: +1

31 Teilchenerzeugung μ+ μ- γ ~ ~ R-Parität = -1 R-Parität = -1Produkt R-Parität: +1

32 Teilchenzerfall ~ ~ χ+  χ02 e+ -1 -1 +1 Produkt R-Parität: -1

33 Teilchenzerfall ~ ~ χ+  χ02 e+ ~ μ+ μ- -1 -1 +1 Produkt R-Parität: -1

34 Teilchenzerfall χ+  χ02 e+ μ+ μ- χ01 μ+ ~ ~ ~ Produkt R-Parität: -1χ01 μ+ -1 +1 Produkt R-Parität: -1

35 Teilchenzerfall χ+  χ02 e+ μ+ μ- χ01 μ+ ~ ~ ~ Lightest Supersymmetric-1 χ01 μ+ Lightest Supersymmetric Particle stabil -1 Produkt R-Parität: -1

36  Kandidat für Dunkle MaterieEigenschaften des LSP Wechselwirkungen Gravitation Schwache WW Starke WW Elektromagn. Kraft ja ! ja, aber sehr schwach nur, falls q oder g ~ nur, falls geladen  Kandidat für Dunkle Materie mLSP = 100 … 600 GeV

37 SUSY @ TESLA Zweifelsfreier Nachweis Bestimmung der Massen LebensdauerGluino s-quarks s-leptons Neut./Charginos Higgs Zweifelsfreier Nachweis Bestimmung der Massen Lebensdauer Wirkungsquerschnitte Spin / Parität etc.

38 Das Projekt TESLA Achim Stahl DESY Zeuthen Potsdam – 16. Jun. 2004

39 Beschleunigeranlage

40 33 km Tunnel 5.2 m Ø Experimentiergelände bei Ellerhoop

41 Ringbeschleuniger LEP: Emax 209 GeV U 22,7 km R 3,7 km Energieverlust:LEP ΔE = 2.7 GeV 100 MW oder SFr/h

42 Linearbeschleuniger Schwerpunktsenergie: 50 bis 800 GeV Aber:100 MW Ringbeschleuniger 500 GeV: R = 120 km 800 GeV: R = 800 km Aber: recycled beam Trefferwahrscheinlichkeit LEP-I: pro Kollision TESLA: pro Kollision  Strahlquerschnitt: 550 nm x 5 nm

43 Der TESLA Detektor ähnelt einem LEP Detektor …

44 Der TESLA Detektor Auflösung Impuls 1/10 LEP Impaktparameter 1/3 SLDJet-Energie /2 LEP

45 SUSY @ TESLA ~ χ0 μ+ e+ e- μ- μ: 146.00 ± 0.11 GeV ~e+e-  Z0  μ+μ- ~ ~ Kinematische Endpunkte  Massen μ: ± GeV χ: ± 0.08 GeV ~ 1 Jahr @ √s = 500 GeV Effiziens: 63 % Reinheit: 94 %

46 Suche nach dem LSP ~ χ0 μ+ μ+ ~ μ+ γ e- e+ e- e+ ~ μ- ~ χ0 μ- μ-e+e-  Z0  μ+μ- ~ ~ μ+ μ+ μ- e- e+ γ Untergrund e+e-  Z0  e+e- μ+μ- μ+ ~ e+ e- μ- ~ χ0 ~ μ- Signal

47 Beam-Strahlung Beam-Strahlung - + TESLA KollisionGröße: 5 nm x 550 nm x 300 μm Enorme elektrische Felder  starke Anziehung der Teilchen im bunch Erhöhung der Luminosität (pinch-Effekt, ca. Faktor 2) Starke Abstrahlung: Beam-Strahlung, ca. 100 TeV pro Seite

48 Vorwärtskalorimeterie

49 BeamCal Sampling-Kalorimeter Wolfram-Absorber Sensorlagen

50 Signal: 250 GeV Elektron

51 Untergrund: Beam-Strahlung

52 Signal + Untergrund

53 Untergrundsubtraktionnach Untergrundsubtraktion Computersimulation zeigt Identifikation möglich

54 TechnologieentwicklungDiamantsensoren: Ausgezeichnete Strahlenhärte Verunreinigungen und Kristallgrenzen ‘schlucken’ Ladung Homogenität

55 TESLA Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminositätverspricht Schwerpunktsenergie bis 800 GeV Hohe Luminosität Technologische Herausforderungen Spannende Teilchen- und Astrophysik

56 TESLA STAND

57 3 Projektvorschlaege DESY/Hamburg Supraleitend, 1.3 GHz USA (FermiLab)normalleitend S-Band GHz Next Linear Collider Japan (KEK) normalleitend S-Band 11.4 GHz Japanese Linear Collider

58 Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEPAktueller Stand Int. Konsens: Linearcollider nächstes Groβprojet der HEP (ACFA / HEPAP / ECFA) März 2001: TESLA Technical Design Report Dez. 2002: Empfehlung durch den WR Feb. 2003: BMBF internationale Einigung abwarten Ende 2004: Wise Persons Technologieempfehlung 2006/2007: Standortentscheidung / Genehmigung ≈ 2015: Experimentierbetrieb

59 Hoffentlich bald Danke ….

60

61 Power Consumption

62 XFEL Standort

63 Energie-Fluss MessungRekonstruktion der Partonimpulse Jet-Energie 60% geladene Teilchen 30% Photonen 10% neut. Hadronen Ideal: ΔE/E = 15%/√E aber Überlapp / Miss-ID erwartet: ΔE/E = 30%/√E e+e-  Z0 H H  qq bb bb

64 Energie-Fluss MessungMassenrekonstruktion: e+e-  νν WW e+e-  νν ZZ TESLA LEP

65 LHC + TESLA brauchen einander:Rekonstruktion der fundamentalen Theorie s-Fermionen 1. Gen. s-Fermionen 3. Gen. Gaugino TESLA TESLA LHC wenige Naturkonstanten 105 Parameter Massen

66 Zwei starke Partner: Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLAStudium der Mechanismen Entdeckung neuer Teilchen bei LHC bei TESLA

67 LHC + TESLA ergänzen sich:q, g: hoher WQ; ‘einfach’ nachweisbar l: WQ sehr klein; kaum nachweisbar typisches SUSY Massenspektrum GeV 700 600 500 400 300 200 100 Higgs s-Leptonen χ0 χ± s-quarks TESLA q, g: meist ausserhalb der des Massenbereiches l: einfach nachweisbar; präzise zu vermessen

68 SUSY @ LHC Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): 98.1 ± 1.4 GeV ~ ~Typische Zerfallskette Massenrekonstruktion m(g) – m(b1): ± 1.4 GeV m(g) – m(b2): ± 2.4 GeV ~ ~ ATLAS 3 Jahre High Lumi

69 LHC + TESLA brauchen einander:LHC: Massendifferenzen  starke Korrelationen TESLA liefert Massenskala LHC LHC + TESLA g 8.0 6.4 qL 8.7 4.9 qR 11.8 10.9 b1 7.5 5.7 b2 7.9 6.3 ~ ~ ~ ~ ~

70 TESLA + LHC Untersuchen unterschiedliche Aspekter neuer PhänomeneErst gemeinsame Analysen zeigen das ganze Bild Nur mit zeitlichen Überlapp lassen sich die Projekte voll ausnützen Beispiel: Supersymmetrie