Matière noire

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Matière noire NPAC – Bases de la Cosmologie Moderne – 2007 Herve Dole & Mathieu Langer Indices Possibilités Détection (Merci à Gianfranco Bertone, Université de Padoue & IAP)

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Matière noire. Indices Possibilités Détection. Herve Dole & Mathieu Langer. (Merci à Gianfranco Bertone, Université de Padoue & IAP). NPAC – Bases de la Cosmologie Moderne – 2007. Paramètres cosmologiques : état des lieux. Combinaison de données ‘indépendantes’ - PowerPoint PPT Presentation

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Matière noireMatière noire

NPAC – Bases de la Cosmologie Moderne – 2007

Herve Dole & Mathieu Langer

Indices

Possibilités

Détection

Indices

Possibilités

Détection

(Merci à Gianfranco Bertone, Université de Padoue & IAP)

Page 2: Matière noire

Paramètres cosmologiques : état des lieux

• Combinaison de données ‘indépendantes’

• Univers spatialement plat :

‘Constante Cosmologique’ : ~ 0.7

‘Matière’ : ~ 0.3

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Courbes de rotation galactiques

Page 4: Matière noire

Courbe de rotation de la Voie Lactée(Clemens, 1985, ApJ 295)

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Courbe de rotation et Matière Noire

2* circ *

2

( )m v Gm M r

r r

Image UV GALEX, A. Gil de Paz, 2006

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Dégénérescence :

disque vs. halo DM

Rapport Masse/Luminosité?(synth. pop. stellaires)

DM : profil de densité?(simulations, mal connu au centre)

Broeils, 1992, A&A

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Matière Noire : Amas de galaxiesN

GC

720

A 2

029

ROSAT X-Ray

DSS optical

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• Image aux rayons X– L’émission X en un point de

l’amas est fonction de la densité n en ce point, x ~ n2

– Question: Quel profil de densité pour produire l’émission X observée?

Mesure du profil de densité d’un amas

Points: Observations

Line: Best Fit

Abell 2319 – Image ROSAT

[millions of light years]

• Procédure:– Choix du centre de l’amas– Moyenne azimutale de l’émission X– Courbe d’ajustement du profil X– Déduction de la densité requise

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« Lentillage » gravitationnel

(http://hubblesite.org)

Convergence

Convergence + cisaillement

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Tout frais : carte 3D de Matière Noire!

Massey et al., Nature, 7 Janvier 2007

•Cartes haute fidélité de la distribution de matière noire à grande échelle, résolue en séparation angulaire et en profondeur grâce au Cosmic Evolution Survey du HST (2 degres2)

• Forme de 71 galaxies par arcmin2

champ de cisaillement masse totale projetée

• Observations de suivi par VLT, Subaru, Cerro Tololo et Kitt Peak pour déterminer les redshifts

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• Image optique d’amas en fusion (ici: 1E 0657-558)

• Reconstruction du cisaillement et de la convergence (lentilles gravitationnelles)

• Cartes de densité projetée (contours verts)

Preuve “directe” : l’amas Balle de fusil

Clowe et al. ApJL 2006

200 kpc

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Preuve “directe” : l’amas Balle de fusil

Clowe et al. ApJL 2006

• Image X du même amas en fusion 1E 0657-558, par Chandra

• Contours verts: convergence (proportionnelle à la densité projetée)

• Contours blancs: position des pics de à 68.3%, 95.5% and 99.7% C.L. 200 kpc

Présence de masse gravitante non-lumineuse!

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1% Etoiles7% Gaz structures virialisées

7% Gaz tiède/chaud MIG

85% MATIERE NOIRE

Baryons

Non-baryonique

Inventaire de la Matière dans l’Univers…

Don’t know what Dark Matter is?

Ask a Particle Physicist!

Page 14: Matière noire

Kaluza-Klein DM in UED

Kaluza-Klein DM in RS

Axion

Axino

Gravitino

Photino

SM Neutrino

Sterile Neutrino

Sneutrino

Light DM

Little Higgs DM

Wimpzillas

Cryptobaryonic DM

Q-balls

Mirror Matter

Champs (charged DM)

D-matter

Cryptons

Self-interacting

Superweakly interacting

Braneworld DM

Heavy neutrino

NEUTRALINO

Messenger States in GMSB

Branons

Chaplygin Gas

Split SUSY

Primordial Black Holes

Candidats “Matière Noire”

L. Roszkowski

“WIMPs”!

Page 15: Matière noire

WIMP : fiche d’identité

• Nom complet : Weakly Interacting Massive Particle– Rem : nom générique

• Interactions : gravitationnelle, nucléaire faible (i.e. sections efficaces « plus faibles que faible »)

• Masse : assez forte pour être non-relativiste aujourd’hui• Durée de vie : stable / assez longue pour ne pas avoir disparu• Densité relique : équation de Boltzmann + freeze-out

• Nature? SUSY? KK Extra-dimensions? New Physics!

27 3 12

χ

3 10 cm .sh

v

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SUSY & LSP…• Supersymétrie?

– Extension de l’algèbre de Poincaré :

Q |Boson = |Fermion , Q |Fermion = |Boson{Q, Q} P , [H,Q] = 0

– Unification des couplages de jauge, hiérarchie des masses (Higgs)

– Préserver conservation de B & L R-parité, R = (-1)3B+L(-1)2S

– Particules SM : R = +1 Particules SUSY : R = -1

• Conservation de R-parité (si)Lightest Supersymmetric Particle stable!

Candidat “naturel” pour la Matière Noire

• MSSM + R-parité Neutralino :

1 2i i i i iB W H H

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Dimensions Supplémentaires Universelles (EUD)

• Kaluza-Klein : extra dimensions

• EUD : tout champ se propage dans la 5e dim

Compactification de la dim. suppl. en chaque pt de l’espace à 3d

Conditions périodiques quantification de l’impulsion

Page 18: Matière noire

Toy derivation of scalar Lagrangian

• Heuristic derivation showing how mass terms appear – infinite tower of KK modes

2

2

in2

Rn

n 0

i(m n)2 in2 im2

R R Rn m n m

n 0 m 0 n 0 m 0

n n n nn 0 n 0

2 n

R

2

R

X x , x e

e in e im e

(J.Virzi, UC Berkeley)

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Discrimination bruit de fondCryogénie, …

Détection directe : Principe & Statut

n

Détecteur (bolomètre)

Collision d’un WIMP sur un noyau Lumière Chaleur Charge

DAMA

CDMS

EDELWEISS

ZEPLIN

+ IAS : saphir scintill. & chaleur

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Détections indirectes

Détections Indirectes de DM

Télescopes gamma• Au sol (CANGAROO, HESS, MAGIC, MILAGRO, VERITAS)• Dans l’espace: satellite GLAST• Futur Cherenkov Telescope Array?

Télescopes Neutrino• Amanda, IceCube• Antares, Nemo, Nestor• Km3

Satellites Antimatière• PAMELA• AMS-2

Autres• Synchrotron• Effet SZ • Effet sur les étoiles…

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Pour calculer les flux, il faut connaitre le détail des annihilations. Les sections efficaces d’annihilations des neutralinos peuvent être calculées par l’approche numérique (DarkSUSY, microMEGA, etc.)

(E. Nezri et al, 2001)

(Servant & Tait, 2002)

Servant & Tait ont obtenu les sections efficaces d’annihilation pour les particules B (1). Dans la limite non-relativiste, elles ne dépendent que de la masse des B(1).

Rayonnement d’annihilation

SUSY

UED

(Merci à G. Bertone)

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Object baryoniques de masse stellaire et inferieure

(Afonso et al, A&A, 2003)