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Forschungsarbeit

Auf der Suche nach Dunkler Materie mit dem H.E.S.S. Experiment

von Constanze Jahn (20.10.2009)

Ein Blick in den Nachthimmel sagt uns, dass das Universum reich an leuchtenden Sternen ist. Bei genauerem Hinsehen wird aber klar, dass der größte Teil des Universums für uns nicht zu sehen ist, er ist dunkel. Die Dunkle Materie ist ein entscheidender Bestandteil des Universums und für das Verständnis vieler Prozesse ist es unerlässlich mehr über sie zu erfahren.

Millenium Simulation; Quelle: http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/presse/[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Millenium Simulation

Dunkle Materie ist für die Struktur des Universums, so wie wir es heute kennen, eine notwendige Vorraussetzung. Diese Meinung beruht auf Modellen, die die Entwicklung der Strukturen im Universium beschreiben, wie beispielsweise die Entstehung von Galaxien. Eindrucksvolle Tests dieser Modelle sind Simulationen wie die Millenium Simulation (Abbildung 1), in denen die zeitliche Entwicklung eines frühen Universums untersucht wird. Die helleren Bereiche in der Abbildung 1 stellen dabei Regionen mit hoher Massendichte dar, wohingegen in dunkleren Regionen die Massendichte niedriger ist. In der Simulation spiegeln sich die Strukturen, die wir tatsächlich beobachten, sehr gut wider. Die Dunkle Materie besteht aus Teilchen, die schwer und stabil sind und nicht elektromagnetisch wechselwirken und deshalb bisher nicht beobachtet werden konnten, daher auch der Name Dunkle Materie. Die Existenz der Dunklen Materie und ihre gravitative Wechselwirkung erklärt aber viele beobachtbare Phänomene in unserem Universum, darunter beispielsweise den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien. Ebenso kann durch die gravitative Wechselwirkung, z.B. im Fall von Gravitationslinsen, auf die Existenz von Dunkler Materie zurückgeschlossen werden. Der Bullet Cluster (Abbildung 2) zeigt mit Gravitationslinsen rekonstruierte Dunkle Materie (blau) und im infraroten sichtbare Materie (rot). Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch den Nasa Satelliten WMAP sagen sogar einen Anteil Dunkler Materie an der Gesamtenergie im Universum in Höhe von 20% vorraus. Das ist ein großer Teil verglichen mit der uns bekannten sichtbaren baryonische Materie, wie Atomen, die nur etwa 5% ausmacht.

Bullet Cluster[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Bullet Cluster

Ein Experiment, das zum Nachweis von hochenergetischer Gammastrahlung aus dem Universum dient, ist H.E.S.S., das in Abbildung 3 zu sehen ist. Das H.E.S.S. Experiment,  wobei H.E.S.S für "High Energy Steroescopic System" steht, befindet sich in Namibia und besteht aus vier abbildenden atmosphärischen Cherenkov Teleskopen, Mit H.E.S.S. lassen sich Gammastrahlen in einem Energiebereich von ca. 100GeV bis hoch zu über 50TeV mit Hilfe von Cherenkov Licht nachweisen. H.E.S.S. dient allerdings nicht in erster Linie der Suche nach Dunkler Materie, sondern hat seinen Fokus mehr auf der Entdeckung und dem Verständnis von anderen Quellen hochenergetischer Gammastrahlung, wie beispielsweise Supernovae Überresten oder Pulsaren. Trotzdem wird aber bei H.E.S.S. auch nach Dunkler Materie gesucht, womit ich mich in meiner Diplomarbeit beschäftigt habe und was ich jetzt in meiner Dissertation weiter verfolge. Dabei müssen vor allem die vielen äußeren Einflüsse auf das Experiment, wie z.B. das Leuchten der Sterne am Nachthimmel, sehr gut verstanden sein, da das erwartete Signal der Dunklen Materie nur sehr schwach ist. Im Rahmen meiner Dissertation hoffe ich, die Systematiken sowohl in der Hardware als auch in der Software des H.E.S.S. Experiments soweit zu erkennen und zu quantifizieren um zuverlässige Aussagen über die Dunkle Materie machen zu können. Dazu gehören vor allem Aussagen zur Verteilung der Dunklen Materie in unserer Galaxie. Darüber hinaus habe ich am ECAP (Erlangen Centre for Astroparticle Physics) die Möglichkeit mit Kollegen aus der Neutrinophysik zusammenzuarbeiten, die mit Hilfe des ANTARES Detektors, eines Neutrinoteleskops, nach Dunkler Materie suchen. Somit kann ich mit meiner Dissertation eine Verbindung zwischen der Gammastrahlungs- und der Neutrinophysik herstellen.

"High Energy Steroescopic System"[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 3: "High Energy Steroescopic System"

Stationen
  • 2004-2008
  • Studium an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
  • seit 2006
  • im Elitestudiengang des ENB Physik mit integriertem Doktorandenkolleg
  • März 2007
  • Teilnahme an MBJASS (Moscow Bavarian Joint Advanced Student School) am MIET (Moscow Institute of Electronic Technology)
  • Januar 2009
  • Beginn der Dissertation am Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP)
  • März 2009
  • Schicht beim H.E.S.S. Experiment in Namibia