matéria escura: o paradigma do wimpfma.if.usp.br/~burdman/fp1/apres/leandrosilva.pdfmatéria...

18
Matéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e Silva

Upload: others

Post on 15-Sep-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Matéria Escura: o paradigma do WIMP

Física de Partículas Elementares I

Leandro J. Beraldo e Silva

Page 2: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Índice

Evidências experimentais; Partículas candidatas; Modelos de extensão do Modelo Padrão (MP); A abundância de ME; WIMPs.

Page 3: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Curvas de rotação

Gás

Disco estelar

Halo de ME

E. Corbelli, & P. Salucci (2000) - MNRAS, 311: 441–447

Page 4: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Bullet Cluster

D. Clowe et al (2006)- “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter” - ApJ 648 L109;

Page 5: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Do que é constituída a ME ? Candidatos do MP:

MAssive Compact Halo Objects (MACHOs): planetas gigantes, anãs-marrons, anãs-brancas, estrelas de nêutrons...;

Neutrinos (ME quante); ME quente X ME Fria;

Além do MP: Axions; WIMPs; ...

O que se sabe: interação gravitacional e sem interação eletromagnética.

Page 6: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Modelos de Extensão do MP

MP exige extensões em altas energias (acima de centenas de GeV);

Há vários modelos: Supersimetria; Dimensões-extra; …

Prevêem partículas massivas e fracamente interagentes.

Page 7: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)

Page 8: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)

Page 9: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação

⟨σ A v ⟩∼g4

M z2∼

α2

(90GeV)2∼5×10−26cm3 s−1 com

α=1

137(1GeV )

−2=0.4×10−27cm2 v∼3×1010 cm s−1

Aniquilações: relação com experiências de detecção indireta.

Page 10: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Supersimetria: amplitudes típicas - espalhamento

Amplitudes relacionadas às anteriores por Simetria de Crossing;

Espalhamento: relação com experiências de detecção direta.

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)

Page 11: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Voltando: propriedades gerais da ME

Estratégia: calcular evolução da abundância e igualar à observada

→ seção de choque característica; → WIMPs;

Page 12: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo

Equilíbrio com plasma primordial (e-, e+, ν, bárions, γ)

Sem interação EM → equilíbrio se dá com interação intermediária: χχ− ↔ll−↔ γγ;

T µ a-1;

Para que equilíbrio se mantenha:

Quando Γ < H, cessa o equilíbrio e n∝a−3

Page 13: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)

Page 14: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Partículas massivas em equilíbrio térmico no início do universo

Eq. de Boltzmann: n(t); Abundância hoje: Para ser da ordem da abundância observada:

Portanto: partículas massivas e fracamente interagentes (WIMPs) são bons candidatos

Partículas previstas por extensões do MP são massivas e fracamente interagentes !

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)

⟨σ A v ⟩∼10−26cm3 s−1

Page 15: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Conclusões

Extensões do MP prevêem existência de partículas massivas e fracamente interagentes;

Abundância de ME observada pode ser explicada pela existência de partículas massivas e fracamente interagentes.

WIMPs podem resolver os dois problemas de uma só vez !

Page 16: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Bibliografia

E. Corbelli, & P. Salucci (2000), “The extended rotation curve and the dark matter halo of M33” - MNRAS, 311: 441–447

D. Clowe et al (2006)- “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter” - ApJ 648 L109;

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest (1996) - “Supersymmetric Dark Matter” - Phys.Rept. 267 (1996) 195-373

Page 17: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Evidências experimentais

Medidas de massa de objetos astrofísicos: efeitos gravitacionais X eletromagnéticos

Massa de aglomerados de galáxias; Curvas de rotação; Lentes gravitacionais; Bullet Cluster; Formação de estruturas.

Page 18: Matéria Escura: o paradigma do WIMPfma.if.usp.br/~burdman/FP1/Apres/LeandroSilva.pdfMatéria Escura: o paradigma do WIMP Física de Partículas Elementares I Leandro J. Beraldo e

Supersimetria: amplitudes típicas - aniquilação

G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest - “Supersymmetric Dark Matter”(1996)