Mads Toudal Frandsen frandsen@cp3- origins.net Mørkt Stof 4% Dark 73% energy Dark 23% ma)er
Disposition! Ø Hvad er mørkt stof?! Astronomisk, partikelfysisk, astropartikelfysisk! Ø Hvorfor mørkt stof?! Dets rolle i universet og hvorfor bekymrer vi os om det! Ø Hvordan ved vi mørkt stof findes?! Indicier vs beviser rotationskurver, galakse hobe! Ø Kan vi observere mørkt stof direkte i laboratoriet?! Ø Forskning i mørkt stof ved CP3-Origins!!!! Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!
Uden mørkt stof ingen os!
Hvad er mørkt stof Lysende stof Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof Lysende stof Mørkt stof! Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys *, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD Andre vekselvirkninger? * behøves ikke at være helt mørkt for at være usynligt i teleskoper Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys *, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD Andre vekselvirkninger? * behøves ikke at være helt mørkt for at være usynligt i teleskoper Eksempler på mørkt stof? Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys *, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD * behøves ikke at være helt mørkt for at være usynligt i teleskoper Eksempler på mørkt stof? Sorte huller Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof I Stof som er usynligt for os fordi det ikke udsender observerbart lys *, men vekselvirker med os via tyngde- kra8en Lysende stof Mørkt stof! TyngdekraD Svage vekselvirkning * behøves ikke at være helt mørkt for at være usynligt i teleskoper Eksempler på mørkt stof? Sorte huller Neutrinoer Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof for en partikel fysiker? Består af ny(e) elementar- par?kler * Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
( Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Standard Modellen elementære kræfter Graviton Gluons Photon W and Z Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Standard Modellen elementarpartikler Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
) Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Hvad er mørkt stof II for en partikel fysiker Består af ny(e) elementar- par?kler * Q: Hvor mange mørkt stof parzkler deler vi plads med lige nu? Q: Hvor meget vejer mørkt stof? Q: Hvor mange mørkt stof parzkler gennemstrømmer os hvert sekund? Q: Er det farligt? * Kun neutrinoen er mørk i SM og der er slet ikke nok neutrinoer Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Hvad er mørkt stof II for en partikel fysiker Består af ny(e) elementar- par?kler * Q: Hvor mange mørkt stof parzkler deler vi plads med lige nu? A: Omkring 100 et hvert øjeblik (for en typisk masse) Q: Hvor meget vejer mørkt stof? A: Vi ved det ikke måske omkring 100 GeV. (1 GeV/c 2 = 1.783 10 27 kg) Q: Hvor mange mørkt stof parzkler gennemstrømmer os hvert sekund? A: ~ Milliarder pr sekund! (for en 100 GeV masse) Q: Er det farligt? A: Nej fordi de vekselvirker så lidt med os. det har fysikere fakzsk regnet på! * Kun neutrinoen er mørk i SM og der er slet ikke nok neutrinoer Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Hvad er mørkt stof II for en partikel fysiker Består af ny(e) elementar- par?kler * Q: Hvor mange mørkt stof parzkler deler vi plads med lige nu? A: Omkring 100 et hvert øjeblik (for en typisk masse) Q: Hvor meget vejer mørkt stof? A: Vi ved det ikke måske omkring 100 GeV. Q: Hvor mange mørkt stof parzkler gennemstrømmer os hvert sekund? A: ~ Milliarder pr sekund! (for en typisk masse) Q: Er det farligt? A: Nej fordi de vekselvirker så lidt med os. det har fysikere fakzsk regnet på! Kender allerede noget Zlsvarende neutrinoer! * Kun neutrinoen er mørk i SM og der er slet ikke nok neutrinoer Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Universets budget ~ 5% Synligt stof Beskrevet af Standard Modellen ~ 70% Mørk energi ~25% Mørkt stof Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Universets budget ~ 5% Synligt stof Beskrevet af Standard Modellen ~ 70% Mørk energi ~25% Mørkt stof Q: Hvordan kan vi tale om masse og energi i samme budget? Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Universets budget ~ 5% Synligt stof Beskrevet af Standard Modellen ~ 70% Mørk energi ~25% Mørkt stof Q: Hvordan kan vi tale om masse og energi i samme budget? A: E=mc 2 Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Stof Mørkt energi 4% Mørkt stof! Dark 73% energy Dark 23% ma)er
Mørkt stof i astrofysisk perspektiv Mælkevejen set i infrarødt med Spitzer teleskopet og galakzske koordinater Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Mælkevejen set ovenfra i infrarødt Os! 1 kpc ~ 30.000 lysår ~3 10 19 meter Vi er ~ 8 kpc fra centrum
En halo af mørkt stof omslu)er typiske galakser M galakse ~ 10 11 x M sol M halo ~ 100 M galakse M sol ~10 30 kg
Struktur med mørkt stof CMB Ved CMB z ~ 1000 var universet meget uniformt Zl 1 / 105 Z =1000 ~300.000 år eder Big Bang Simulering De store strukturer vi observerer kan ikke vokse uden det mørke stof!
Struktur med mørkt stof
! Findes mørkt stof! Indicier og beviser?! Galaktisk skala ~ 10 kpc! Galakse-hobe skala ~ 1000 kpc! Kosmologisk skala ~ Gpc!!!!
Mørkt stof forhistorien
En mørkt stof forhistorie Den usynlige Neptun: John Adams (og året eder Urbain Le Verrier ) forudsiger uapængigt Neptuns eksistens Baseret på Newtons love! John Couch Adams Mads Toudal Frandsen - University of Oxford!
Slide Courtesy S. Sarkar Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!
Stof versus dynamik Forudsigelser af manglende og usynligt (mørkt!) stof er ikke alzd korrekte det kan også være dynamikken (naturlovene) der skal ændres 2 Jan 1860: `Gentlemen I give you the planet Vulcan Urbain Le Verrier annoncerer en ny planet mellem Merkur og Solen baseret på Merkurs precession Nogle astronomer så den endda! Urbain Le Verrier
Stof versus dynamik Forudsigelser af manglende og usynligt (mørkt!) stof er ikke alzd korrekte det kan også være dynamikken (naturlovene) der skal ændres 2 Jan 1860: `Gentlemen I give you the planet Vulcan Urbain Le Verrier annoncerer en ny planet mellem Merkur og Solen Baseret på Merkurs precession Nogle astronomer så den endda! Urbain Le Verrier Men Merkurs precession skyldes ikke en ny planet den følger af en udvidelse af Newtons love Einsteins generelle relazvitetsteori
Stof versus dynamik? Naturlovenes hypercube
Sagaen om mørkt stof! begynder med Spiral galakser! Iflg. Newtons love er rotazonshaszgheden af objekter i det ydre galaksen flg funkzon af deres afstand Zl centrum G m M(r) / r = m v 2 Q: Hvordan er haszgheden som funkzon af afstand?
Sagaen om mørkt stof! begynder med Spiral galakser! Iflg. Newtons love er rotazonshaszgheden af objekter i det ydre galaksen flg funkzon af deres afstand Zl centrum G m M(r) / r = m v 2 Q: Hvordan er haszgheden som funkzon af afstand? A:
Sagaen om mørkt stof! begynder med Spiral galakser! Iflg. Newtons love er rotazonshaszgheden af objekter i det ydre af galaksen flg funkzon af deres afstand Zl centrum G m M(r) / r = m v 2 I 1970 fandt Vera Rubin et al noget andet
Sagaen om mørkt stof! begynder med Spiral galakser! Iflg. Newtons love er rotazonshaszgheden af objekter i det ydre galaksen flg funkzon af deres afstand Zl centrum G m M(r) / r = m v 2 I 1970 fandt Vera Rubin et al noget andet I 80 erne bekrædedes det af observazoner af hydrogen- linier i rotazonsbaner med galaksen langt ud over den synlige disk
Siden da er mange spiral galakser observeret: Q: Hvordan kan mørkt Stof forklare observazonerne?
Siden da er mange spiral galakser observeret Q: Hvordan kan mørkt Stof forklare observazonerne? Halo af mørk stof uden om galaksen med en massetæthed ρ DM ~ 1/r 2 kan forklare observazonerne! G m M(r) / r = m v 2 Er det den eneste forklaring?
Galakse hobe! I 1933 målte Fritz Zwicky haszgheder i Coma Galakse- hoben > 1000 galakser
Galaksehobe og Einsteins GR! Gravitational lensing!
Gravitational lensing!
Galaksehobe og Einsteins GR! Gravitational lensing! TyngdepotenZalet I nogle Galakse- hobe kan rekonstrueres via gravita?onal lensing Det viser en komponent af jævnt fordelt usynlig masses i galaksehobe Meget svært at forklare alle observazoner med andre modeller!
Kollisioner af galakse hobe! Bullet Cluster kollisionen! 2 Galakse hobe er stoedt sammen: Som en kugle (Zl hoejre) gennem den anden Røngten viser 2 centre for den synlige masse (gul) Stemmer overens med de to centre for den totale masse (de inderste grønne cirkler)
Kollisioner af galakse hobe! Bullet Cluster kollisionen! 2 Galakse hobe er stødt sammen: Som en kugle (Zl højre) gennem den anden Røntgen viser 2 centre for den synlige masse (gul) Stemmer overens med de to centre for den totale masse (de inderste grønne cirkler) Hovedet på sømmet for mange!
Observationer af mørkt stof 1! Spiral galakser! Fra Newtons love og Virial Teoremet: E pot =- 2 E kin finder vi rotazonshaszgheden af objekter I galaksen som funkzon af deres afstand Zl galaksen G m M(r) / r = m v 2 eller Mads Toudal Frandsen - University of Oxford!
! Kan vi detektere mørkt stof direkte! Ok, lad os sige vi køber at mørkt stof findes! Indicierne er tilpas mange! Kan vi finde Beviset som overbeviser en partikelfysiker?! Dvs. kan vi detektere mørkt stof direkte i laboratoried?!!!!
Kan vi direkte observere mørkt stof? Der er i øjeblikket en kæmpe eksperimentel indsats for at afdække oprindelsen af masse og det mørke stof på parzkel- niveau LHC eksperimentet leder eder spor af både Higgs mekanismen og mørkt stof Direkte observazons ekperimenter Astro- fysiske (sa)elit)
Detektion af nye elementarpartikler ( Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Partikel annihilation Positron Electron Tomography scanning Courtesy NIH Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Partikel annihilation LHC eksperimentet DetekZon af nye parzkler ved LHC med samme teknik som PET scanning Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Partikel-spredning Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Detektion af nye elementarpartikler ) Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!
Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!
Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!
Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!
Eksperimentel status
DAMA eksperimentet
Damas resultat mørkt stof?
Fermi Gamma-ray Space Telescope
LHC Ikke noget på mørkt stof fronten endnu eksperimentet kan se mørkt stof i kollisioner med manglende energi/manglende impuls Tilgengæld
Higgs mekanismen og Higgs partiklen? Vil tage år at bekræde eller ayræde om det er Peter Higgs parzkel eller Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Mørkt stof, Higgs mekanismen og Technicolor I stedet for en SM Higgs kan opdagelsen ved LHC også være første manifestazon af en 5. naturkræd De samme teorier giver også parzkler der kan være det mørke stof! CP3 en af verdens førende forskningsgrupper indenfor Technicolor Og Strong Dynamics Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Nogle spekulationer For hver parzkel Er der en anz- parzkel electron Vi kan eksistere fordi der næsten intet anzstof er sådan var det ikke i det Zdlige univers Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Elementarpartikler anti-stof For hver parzkel Er der en anz- parzkel electron I dag! Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Elementarpartikler anti-stof For hver parzkel Er der en anz- parzkel electron I dag! Hvordan blev denne asymmetri produceret? Er mørkt stof på samme måde anzsymmetrisk? I Technicolor modeller er asymmetrien mellem stof og anz- stof direkte relateret Zl asymmetri ml. mørkt stof og an?- mørkt stof Mads Toudal Frandsen - CP3-Origins, SDU!!
Opsummering! Ø Mørkt stof findes indicierne er overvældende!! Udgør langt det meste af universets masse ~5/6! Uden det, meget mindre struktur i universet.! Ø Mørkt stof er alt overvejende sandsynligt nye elementarpartikler! Hvordan ser denne mørke verden ud?! Søger det afgørende partikel-fysiske bevis!! Ø Kan vi observere mørkt stof direkte i laboratoriet?! Higgs og mørkt stof! Ø State-of-the-art modeller udvikles og undersøges bla. ved CP3-Origins på SDU!!!! Mads Toudal Frandsen CP3-Origins, SDU!