Op zoek naar Donkere Materie in het Heelal Patrick Decowski [email protected] Tuesday, February 4, 14 1 Andromeda Tuesday, February 4, 14 2 Draaisnelheid v.d. Ster Andromeda Afstand Ster tot Centrum Tuesday, February 4, 14 2 Draaisnelheid v.d. Ster Andromeda Verwacht Afstand Ster tot Centrum Tuesday, February 4, 14 2 Andromeda Draaisnelheid v.d. Ster Gemeten Verwacht Afstand Ster tot Centrum Tuesday, February 4, 14 2 Tuesday, February 4, 14 3 Sterke aanwijzingen voor donkere materie Kosmische Achtergrondstraling Beweging van sterren Verbuiging van licht Grote structuren Clusters van sterrenstelsels Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 4 Sterke aanwijzingen voor donkere materie Op alle afstandsschalen in het Heelal Kosmische Achtergrondstraling Beweging van sterren Verbuiging van licht Grote structuren Clusters van sterrenstelsels Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 4 Materie in het heelal Uit astronomische waarnemingen: “Gewone” Materie 15% Donkere materie 85% Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 5 Materie in het heelal Uit astronomische waarnemingen: “Gewone” Materie 15% Donkere materie 85% Maar waaruit bestaat die donkere materie? Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 5 Wat is het donkere materie deeltje? • Eigenschappen van DM: • Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn • • • Moet massa hebben, maar niet te licht • … Moet stabiel zijn, niet vervallen Wisselwerkingen met andere deeltjes klein Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 6 Wat is het donkere materie deeltje? • Eigenschappen van DM: • Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn • • • Moet massa hebben, maar niet te licht • … Moet stabiel zijn, niet vervallen Wisselwerkingen met andere deeltjes klein u c t d s b νe νμ ντ e μ τ Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 6 Wat is het donkere materie deeltje? • Eigenschappen van DM: • Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn • • • Moet massa hebben, maar niet te licht • … Moet stabiel zijn, niet vervallen Wisselwerkingen met andere deeltjes klein u c t d s b νe νμ ντ e μ τ Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen! Patrick Decowski - UvA/Nikhef Tuesday, February 4, 14 6 Nieuwe subatomaire deeltjes nodig Subatomaire schaal u c t ɣ d s b g νe ν ντ Z e W μ τ H Het standaard model is niet compleet en heeft een uitbreidingen nodig b.v. Supersymmetry (SUSY) →Voorspellen nieuwe subatomaire deeltjes Tuesday, February 4, 14 Astronomische schaal DM deeltje nodig ? 7 Nieuwe subatomaire deeltjes nodig Subatomaire schaal u c t ɣ d s b g νe ν ντ Z e W μ τ Astronomische schaal H Het standaard model is niet compleet en heeft een uitbreidingen nodig b.v. Supersymmetry (SUSY) →Voorspellen nieuwe subatomaire deeltjes DM deeltje nodig “WIMP miracle”: Geeft de juiste hoeveelheid DM! Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) Tuesday, February 4, 14 7 Een aantal DM kandidaat deeltjes Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Er zijn heel veel kandidaat-deeltjes - allemaal een extensie van het SM Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 8 Een aantal DM kandidaat deeltjes Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Er zijn heel veel kandidaat-deeltjes - allemaal een extensie van het SM Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 8 27000 lichtjaar Veronderstel dat WIMPs niet alleen via zwaartekracht wisselwerken M. W. Goodman and E. Witten, Phys. Rev. D 31, 3059 (1985). WIMP Target Nucleus from galactic halo in laboratory v~220 km/s v~0 km/s WIMP Elastic collision θR ER~20 keVr µ2 v 2 ER = (1 mT Tuesday, February 4, 14 cos ✓) vmin = s mT Eth 2µ2 9 27000 lichtjaar vesc Veronderstelde WIMP snelheidsverdeling v0 f(w) [s/km] 0.005 Gemiddeld 220 km/s 0.004 0.003 SHM 0.002 0.001 0 0 100 200 300 400 500 600 w [km/s] Veronderstel dat WIMPs niet alleen via zwaartekracht wisselwerken M. W. Goodman and E. Witten, Phys. Rev. D 31, 3059 (1985). WIMP Target Nucleus from galactic halo in laboratory v~220 km/s v~0 km/s WIMP Elastic collision θR ER~20 keVr µ2 v 2 ER = (1 mT Tuesday, February 4, 14 cos ✓) vmin = s mT Eth 2µ2 9 “Directe Detectie” DM Experimenten WIMP Target Nucleus from galactic halo in laboratory v~220 km/s v~0 km/s WIMP Elastic collision θR • Gebruik “WIMP wind” van het DM9halo in het melkwegstelsel: ⇢DM vsolar MW IM P 3 ⇡ 0.3 GeV/cm = ⇡ 220km/s ! ; 2 = 100 GeV/c ⇠ 109 WIMPs m Dit meet het experiment ⇥ Door natuur gegeven N s 1 (1 GeV/c2 is ong. massa proton) • Elastische verstrooiing aan een zware atoomkern - xenon: #Recoils = 2 ⇥ Natoms ⇥ Hoeveelheid materiaal t Je geduld Hier zijn we naar op zoek Patrick Decowski Tuesday, February 4, 14 10 Wat is een “werkzame doorsnede”? #Recoils = ⇥ N ⇥ Natoms ⇥ t Hier zijn we naar op zoek: werkzame doorsnede σ= Biljardbal Groene M&M 24 cm2 1.5 cm2 Goudkern 10-26 cm2 WIMP >10-44 cm2 Een maat voor de waarschijnlijkheid van wisselwerking → kan met theorie worden vergeleken Patrick Decowski Tuesday, February 4, 14 11 Wat is een “werkzame doorsnede”? #Recoils = ⇥ N ⇥ Natoms ⇥ t Hier zijn we naar op zoek: werkzame doorsnede σ= Biljardbal Groene M&M 24 cm2 1.5 cm2 Goudkern 10-26 cm2 WIMP >10-44 cm2 Een maat voor de waarschijnlijkheid van wisselwerking → kan met theorie worden vergeleken Meten dus maar een paar gebeurtenissen per jaar! Patrick Decowski Tuesday, February 4, 14 11 Radioactieve Achtergrond • Meest belangrijke achtergrond is natuurlijke radioactiviteit • Onderdrukking van radioactiviteit zeer belangrijk! • NU (XENON100) →1 event/(kg yr) • Komend jaar (XENON1T) → 1 event/(ton yr) • Ter vergelijking: bananen hebben een activiteit van 15 Bq/banaan • → 3x10 9 event/(kg yr) • Heel schoon materiaal en afscherming nodig Één van de minst radioactive plekken op aarde! Tuesday, February 4, 14 12 DarkLiquid Matter xenon Detector Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 Kosmische stralen μ DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 Kosmische stralen μ DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 Kosmische stralen neutronen μ DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 Kosmische stralen neutronen μ DarkLiquid Matter xenon Detector β ɣ Natuurlijke radioactiviteit Patrick Decowski Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 13 Ondergrondse laboratoria waar donkere materie onderzoek wordt bedreven Boulby DUSEL SNOLab WIPP Frejus (LSM) Gran Sasso (LNGS) Kamioka Minimaal 1000m rots nodig dan wordt het aantal μ’s met 105 gereduceerd Tuesday, February 4, 14 14 XENON1T 11/29/09 Tuesday, February 4, 14 Katsushi Arisaka, UCLA 18 15 Dual-Phase Xe TPC 5mm Gas Xe Anode ~13kV/cm Liquid Xe ~1kV/cm ~30cm E Cathode Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 16 Detection Properties Signal: nuclear recoil Background: Electron recoil Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 17 One of the Candidates drift time = 74μs → z=12.6cm, Δz = 0.3mm ~12keVnr equiv Patrick Decowski - Nikhef Tuesday, February 4, 14 18 Same low-energy candidate event S1: Energy determination S2: Position determination Δr ~ 3mm Tuesday, February 4, 14 19 10-39 WIMP-Nucleon Cross Section [cm2] Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Tot nu toe geen DM-deeltje (definitief) gevonden… 10-40 10-41 10-42 10-43 10-44 10-45 Theory 10-46 10-47 6 7 8 9 10 Tuesday, February 4, 14 20 30 40 50 60 100 200 300 400 1000 WIMP Mass [GeV/c2] 20 10-39 DAMA/Na WIMP-Nucleon Cross Section [cm2] Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Tot nu toe geen DM-deeltje (definitief) gevonden… 10-40 CoGeNT DAMA/I 10-41 CRESST-II (2012) 10-42 10-43 CDMS (2010/11) 100 XENON (2011) 10-44 00 XENON1 -45 10 (2012) Theory 10-46 10-47 6 7 8 9 10 Tuesday, February 4, 14 20 30 40 50 60 100 200 300 400 1000 WIMP Mass [GeV/c2] 20 10-39 DAMA/Na WIMP-Nucleon Cross Section [cm2] Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Tot nu toe geen DM-deeltje (definitief) gevonden… 10-40 CoGeNT DAMA/I 10-41 CRESST-II (2012) 10-42 10-43 CDMS (2010/11) 100 XENON 10-44 1 ev/(kg・yr) ) 100 (2012 XENON 10-45 (2011) Theory 10-46 10-47 6 7 8 9 10 Tuesday, February 4, 14 20 30 40 50 60 100 200 300 400 1000 WIMP Mass [GeV/c2] 20 10-39 DAMA/Na WIMP-Nucleon Cross Section [cm2] Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Tot nu toe geen DM-deeltje (definitief) gevonden… 10-40 CoGeNT DAMA/I 10-41 CRESST-II (2012) 10-42 10-43 CDMS (2010/11) 100 XENON 10-44 1 ev/(kg・yr) ) 100 (2012 XENON 10-45 (2011) Theory 10-46 10-47 6 7 8 9 10 Tuesday, February 4, 14 20 30 40 50 60 100 WIMP Mass [GeV/c2] 200 300 400 1000 1 ev/(ton・yr) 20 10-39 DAMA/Na WIMP-Nucleon Cross Section [cm2] Waarschijnlijkheid van wisselwerking → Tot nu toe geen DM-deeltje (definitief) gevonden… 10-40 CoGeNT DAMA/I 10-41 CRESST-II (2012) 10-42 10-43 0 (2011) 0 1 N O N XE CDMS (2010/11) 10-44 1 ev/(kg・yr) (2012) 0 0 1 N O N XE 10-45 Theory 10-46 10-47 XENON1T Sensitivity (1 ton x 1 year) 6 7 8 9 10 Tuesday, February 4, 14 20 30 40 50 60 100 WIMP Mass [GeV/c2] 200 300 400 1000 1 ev/(ton・yr) 20 XENON1T • • • • 100x gevoeliger dan XENON100 Van 160kg Xe → 3.5t Xe Nu in Gran Sasso aan het bouwen Eerste gegevens in 2015 verwacht Patrick Decowski - Nikhef/UvA Tuesday, February 4, 14 21 XAMS: R&D opstelling in Amsterdam Tuesday, February 4, 14 22 XAMS: R&D opstelling in Amsterdam Tuesday, February 4, 14 22 XAMS: R&D opstelling in Amsterdam Tuesday, February 4, 14 22 XAMS: R&D opstelling in Amsterdam Tuesday, February 4, 14 22 XAMS: R&D opstelling in Amsterdam Tuesday, February 4, 14 22 Filmpje van drijvend aluminium Filmpje van twee aluminium platen die in vloeibaar xenon drijven: http://www.nikhef.nl/~decowski/XAMS/ 131210_liquid_xenon_cut4.mp4 ρAl = 2.8 g/cm3 ρLXe = 3.0 g/cm3 Tkookpunt = -109 ºC Gemaakt in de XAMS R&D opstelling op Nikhef Tuesday, February 4, 14 23
© Copyright 2024 ExpyDoc
