Universiẗat, Diss., 2004--Heidelberg.

University, Diss., 2004--Heidelberg.

Dark matter and non-zero neutrino masses are possible hints for new physics beyond the Standard Model of particle physics. Such potential consequences of new physics can be described by effective field theories in a model independent way. It is possible that the dominant contribution to low-energy effects of new physics is generated by operators of dimension d>5, e.g., due to an additional symmetry. Since these are more suppressed than the usually discussed lower dimensional operators, they can lead to extremly weak interactions even if new physics appears at comparatively low scales. Thus neutrino mass models can be connected to TeV scale physics, for instance. The possible existence of TeV scale particles is interesting, since they can be potentially observed at collider experiments, such as the Large Hadron Collider. Hence, we first recapitulate the generation of neutrino masses by higher dimensional effective operators in a supersymmetric framework. In addition, we discuss processes that can be used to test these models at the Large Hadron Collider. The introduction of new particles can affect the running of gauge couplings. Hence, we study the compatibilty of these models with Grand Unified Theories. The required extension of these models can imply the existence of new heavy quarks, which requires the consideration of cosmological constraints. Finally, higher dimensional effective operators can not only generate small neutrino masses. They also can be used to discuss the interactions relevant for dark matter detection experiments. Thus we apply the methods established for the study of neutrino mass models to the systematic discussion of higher dimensional effective operators generating dark matter interactions. / Dunkle Materie und nichtverschwindende Neutrinomassen sind nur zwei Hinweise auf das mögliche Vorhandensein neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Solche möglichen Konsequenzen neuer Physik können modellunabhängig mit effektiven Feldtheorien beschrieben werden. Beispielsweise aufgrund zusätzlicher Symmetrien ist es möglich, dass Operatoren mit Dimension $d>5$ den dominanten Beitrag zu den Effekten neuer Physik bei niedrigen Energieskalen liefern. Da diese stärker unterdrückt sind als die gewöhnlicherweise betrachteten Operatoren niedrigerer Dimension, können sie zu äußerst schwachen Wechselwirkungen führen, selbst wenn neue Physik bereits bei vergleichsweise niedrigen Energien auftritt. Dies ermöglicht unter anderem neue Teilchen mit Massen im Bereich der TeV-Skala mit der Erzeugung der sehr geringen Neutrinomassen in Verbindung zu bringen. Solche Teilchen sind besonders interessant, da sie an Beschleunigerexperimenten wie dem Large Hadron Collider untersucht werden können. Deswegen wird in dieser Arbeit zunächst die Erzeugung von Neutrinomassen durch höherdimensionale effektive Operatoren in supersymmetrischen Modellen rekapituliert. Darüber hinaus sollen mögliche Prozesse zum Nachweis dieser Modelle am Large Hadron Collider anhand eines Beispiels diskutiert werden. Da das Einführen neuer Teilchen das Laufen der Kopplungskonstanten beeinflussen kann, wird ferner betrachtet, inwiefern solche Szenarien vereinbar mit großen vereinheitlichten Theorien (Grand Unified Theories) sind. Die entsprechende Erweiterung dieser Modelle kann beispielsweise das Auftreten neuer schwerer Quarks zur Folge haben, die auf ihre Vereinbarkeit mit kosmologischen Beobachtungen untersucht werden. Höherdimensionale Operatoren können jedoch nicht nur sehr kleine Neutrinomassen erzeugen, sondern auch für Experimente zum Nachweis dunkler Materie relevant sein. Daher sollen die zuvor angewandten Methoden zur systematischen Diskussion effektiver Operatoren, die Wechselwirkungen dunkler Materie beschreiben, verwendet werden.

Über bisherige Aussagen hinausgehend wird ein Weg vorgestellt, der Aussagen über kleinstmögliche Schwarze Löcher gestattet. Es erweist sich, dass es sie (theoretisch) gibt und das sie ein neues stabiles Elementarteilchen (in dieser Arbeit G-Boson genannt) darstellen, das Zusammenhänge zur Dunklen Materie aufzeigt und die Dunkle Energie unabhängig von ihrer in der Makroquantentheorie erforderlichen Existenz notwendig macht, um astronomische Beobachtungen zu erklären. Dadurch ergeben sich logische Abläufe beim Urknall, die diesen in einem etwas anderen Zusammenhang erscheinen lassen als bisher bekannt.:Inhaltsverzeichnis 1. Abstract 2. Einleitung 3. Vorbetrachtung anhand von Planck-Einheiten 4. Die Grenzkraft 5. Grenzkraft und Schwarze Löcher, das G-Boson 6. Eigenschaften des G-Bosons 7. Entstehung der G-Bosonen, die Dunkle Materie und Energie 8. Was bedeutet das für den Urknall? 9. Astronomische Befunde 10. Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird untersucht, ob es möglich ist, mit den Mitteln der Theoretischen Physik mehr auszusagen über das, was sich unter dem Vakuum, aus dem der Urknall erfolgte, verstehen lässt. Hierbei wird deutlich, dass es sich nicht mehr um eine Theorie im eigentlichen Sinne, also um widerlegbare Aussagen handeln, sondern stattdessen um eine Art Modell, das nur anhand von Indizien auf seine Tauglichkeit geprüft werden kann, indem z. B. bisher unbekannte Vorhersagen bestätigt werden oder nicht. Eine solche bisher unbekannte fundamentale Aussage ist, dass dieses Modell zum Ergebnis hat, Schwarze Riesenlöcher entstehen mit dem Freisetzen Dunkler Materie als erstes nach dem Urknall und sind für die Strukturierung des Universums maßgeblich. Beim Begründen dieses Modells wird auf die Methodik in der Veröffentlichung über die mögliche Anatomie Schwarzer Löcher zurückgegriffen. Allerdings konnte in jener Arbeit die mathematische Möglichkeit des Vakuums lediglich als Existenz zweier Antipoden, Energie und Dunkler Energie, am gleichen Ort genannt, aber kein physikalischer Weg dazu aufgezeigt werden. Dort hieß es „Zur Erklärung des Vakuumzustands sehe ich keine Möglichkeit, weil er durch den simplen Zusammenhang, dass gleichviel Energie beider Arten am gleichen Ort sich gegenseitig auslöschen, also von jeder der beiden Energiearten einzeln aus betrachtet praktisch nicht mehr vorhanden ist, mathematisch geradezu trivial, aber physikalisch nicht erklärbar scheint.“ Hier wird nun eine mögliche physikalische Lösung aufgezeigt, die aber ein Entstehen der G-Bosonen erst nach dem Urknall, wie dort noch angenommen, ausschließt. Jetzt muss vielmehr angenommen werden, dass die G-Bosonen bereits im Vakuum existieren und als Dunkle Materie der Gegenpart zur Dunklen Energie sind. Es wird gezeigt, dass sehr wohl zwei sich vollständig kompensierende Dinge, die sich auch noch abstoßen, dennoch einen stabilen Zustand haben können und alle Eigenschaften, die physikalisch von einem Vakuum erwartet werden, erfüllen. Der Preis für diese theoretische Betrachtung ist leider, dass dabei aus den technischen Grenzen unserer Zivilisation heraus experimentell nicht mehr nachprüfbare Aussagen gemacht werden und Nachprüfungen der Theorie nur noch über astronomisch und astrophysikalisch ermittelte Bestätigungen oder Widerlegungen in Form von Indizien Hinweise geben können.:1. Abstract 2. Einleitung 3. Vorbetrachtung 4. Das Kräftegleichgewicht im lichtschnellen Fall 4.1 Gleichgewichtsverhalten lichtschneller Energie, Dunkler Materie 4.2 Gleichgewichtsverhalten Dunkler Energie 4.3 Gleichgewichtsverhalten Dunkler Energie im Gravitationsfeld von lichtschneller Energie bzw. Dunkler Materie 4.4 Gleichgewichtsverhalten lichtschneller Energie im Gravitationsfeld von Dunkler Energie 4.5 Zusammenfassung 5. Das Vakuum 6. Der Urknall 7. Der philosophische Aspekt 8. Astronomische Befunde 9. Schlussbetrachtung

In dieser Dissertation werden Daten aus drei Jahren vom vollständig fertiggestellten IceCube-Detektor benutzt um nach Neutrinos zu suchen, die in Dunkle-Materie-Annihilationen in fünf nahegelegen Zwerggalaxien, der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen produziert wurden. Um die Messung durchzuführen, wurde zunächst eine Ereignis-Selektion angewandt, die es ermöglicht, die von aus der Atmosphäre stammenden Teilchen dominierte Rate der Ereignisse von zirka 100 Hz auf 0.5 mHz zu reduzieren. Danach wird eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt um zu bestimmen ob es ein Überschuss von Neutrinos aus der Richtung der jeweiligen Quellen gibt, der mit einen Energie-Spektrum übereinstimmt das mann für Dunkle-Materie-Annihilationen erwartet. Für die M31 Galaxie und den Virgo Galaxienhaufen wurde zusätzlich zu dieser Suche nach einer Punktquelle auch eine Suche für ein erweitertes Signal durchgeführt. In allen untersuchten Fällen ist das Ergebnis der Analyse vereinbar mit einer Messung der Hintergrund-Hypothese, und daraus wurden Limits für den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation für verschiedene Endprodukte bestimmt. Für hohe Dunkle-Materie-Massen gibt es ein Überschuss von Neutrinos aus drei der Zwerggalaxien. Dieser Überschuss hat einen globalen p-Wert von 4.9% und ist damit nicht statistisch signifikant. Die Suche für ein erweitertes Signal von der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen ergab keinen Überschuss. Die Limits auf den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation haben sich im Vergleich zu vorherigen IceCube-Analysen signifikant verbessert, um bis zu einer Größenordnung. Diese ist teilweise auf Grund Verbesserungen für diese Analyse besonders: eine verbesserte Ereignis-Selektion, und für die Analyse ist eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt statt eine Analyse in ein Suchfenster. / In this thesis, three years worth of data from the completed IceCube detector is used to search for neutrinos produced in dark matter annihilations in five nearby dwarf galaxies, the M31 galaxy and the Virgo cluster. To do this, an event selection which was developed for this analysis is applied to the data sample to reduce the atmospheric background rate from approximately 100 Hz to less than 0.5 mHz. Then, an unbinned maximum likelihood method is used to determine whether there is an excess of neutrinos from the direction of the considered galaxies or galaxy cluster that has an energy spectrum that matches the spectrum expected from dark matter annihilations. For the M31 galaxy and the Virgo cluster an extended signal with a two-dimensional Gaussian shape and width up to 5 degrees is also considered. In all cases, the results of the analysis are compatible with the background-only hypothesis and limits are set on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section for different annihilation channels. For high dark matter masses there is an excess of neutrinos from three of the five dwarf galaxies. This excess has a global p-value of 4.9%, so it is not statistically significant. The search for an extended emission from the direction of the M31 galaxy and the Virgo cluster also did not result in an excess: in both cases the global p-value is larger than 50%. The limits on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section have improved significantly (up to an order of magnitude) with respect to the previous IceCube analysis considering these same targets. This is partially due to improvements to this analysis specifically: an improved event selection was used to select the final data sample and an unbinned maximum likelihood method was used for the final analysis instead of a binned analysis method.

Erste Anzeichen für die Existenz von Dunkler Materie wurden 1933 entdeckt. Der Astrophysiker Fritz Zwicky beobachtete die Geschwindigkeitsverteilung im Coma Cluster und fand dabei heraus, dass 400 mal mehr Materie im Galaxie Haufen sein muss, damit dieser gravitativ gebunden sein kann oder der Galaxie Haufen würde sich aufösen. Trotz erheblicher Bemühungen über die letzten 80 Jahre ist nicht viel über Dunkle Materie bekannt. Das einzige was man weiÿ ist, dass Dunkle Materie gravitativ aber nicht elektromagnetisch wechselwirkt und Dunkle Materie stellt den gröÿten Bestandteil der Materie im Universum da. Doch derzeitige Experimente die nach Dunkler Materie suchen, sowohl direkte Suchen als auch indirekte, beginnen sensitiv genug zu werden um interessante Parameterbereiche von Dunkle Materie Kandidaten zu untersuchen wie das leichteste Super-symmetrische Teilchen, was bedeutet, dass die Entdeckung von Dunkler Materie in der nahen Zukunft sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Signalsummierung von H.E.S.S. Zwerg Galaxien Daten durchgeführt und obere Ausschlussgrenzen berechnet. Weiterhin wird die Leistung einer Dunklen Materie Suche im galaktischen Zentrum durch CTA präsentiert für verschiedene mögliche Teleskop Anordnungen und verschiedene Annihilation Kanäle. Die Ergebnisse werden zeigen, dass CTA in der Lage sein wird geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitte von 3 * 10^-26 cm^3s^1 und geringer, der geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitt der für schwach wechselwirkende Dunkle Materie erwartet wird, in 100 h zu erreichen. Diese Beobachtungszeit kann innerhalb von ein bis zwei Jahren erreicht werden. / First indications for the existence of Dark Matter appeared in 1933. The astrophysicist Fritz Zwicky observed the velocity dispersion of the Coma Cluster and found out that 400 times the visible mass must be contained in the galaxy cluster or the cluster could not be gravitationally bound and would disperse.Despite extensive efforts over the last 80 years not much is known about Dark Matter. The facts known are that Dark Matter interacts via gravitation, does not interact electromagneticly and is the main constituent of matter. But current experiment searching for Dark Matter directly and indirectly begin to reach sensitivities that can probe interesting parameter spaces for Dark Matter candidates like the lightest supersymmetric particle, meaning the first Dark Matter detections could happen in the near future.In this thesis a dwarf stacking analysis for Dark Matter signal search using H.E.S.S. data is performed and a upper limit is calculated. Furthermore the prospect for a Dark Matter search with CTA in the galactic center region of the Milky Way is presented for different candidate arrays and different annihilation channels. The results will show that CTA will be able to reach velocity annihilation below 3 *10^-26 cm^3s^-1, the velocity annihilation crosssection expected for a weakly interacting Dark Matter particle, within 100 h of observation which can reasonably be acquired within one to two years.

In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Daten, die mit dem High Energy Stereocopic System (H.E.S.S.) in Namibia aufgenommen wurden, indirekt nach dunkler Materie im Halo der Milchstraße gesucht / An indirect search for the presence of dark matter particles in the halo of the Milky Way with data that were recorded with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is discussed in this work

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Despite striking evidence for the existence of dark matter from astrophysical observations, dark matter has still escaped any direct or indirect detection until today. Therefore a proof for its existence and the revelation of its nature belongs to one of the most intriguing challenges of nowadays cosmology and particle physics. The present work tries to investigate the nature of dark matter through indirect signatures from dark matter annihilation into electron-positron pairs in two different ways, pressure from dark matter annihilation and multi-messenger constraints on the dark matter annihilation cross-section. We focus on dark matter annihilation into electron-positron pairs and adopt a model-independent approach, where all the electrons and positrons are injected with the same initial energy E_0 ~ m_dm*c^2. The propagation of these particles is determined by solving the diffusion-loss equation, considering inverse Compton scattering, synchrotron radiation, Coulomb collisions, bremsstrahlung, and ionization. The first part of this work, focusing on pressure from dark matter annihilation, demonstrates that dark matter annihilation into electron-positron pairs may affect the observed rotation curve by a significant amount. The injection rate of this calculation is constrained by INTEGRAL, Fermi, and H.E.S.S. data. The pressure of the relativistic electron-positron gas is computed from the energy spectrum predicted by the diffusion-loss equation. For values of the gas density and magnetic field that are representative of the Milky Way, it is estimated that the pressure gradients are strong enough to balance gravity in the central parts if E_0 < 1 GeV. The exact value depends somewhat on the astrophysical parameters, and it changes dramatically with the slope of the dark matter density profile. For very steep slopes, as those expected from adiabatic contraction, the rotation curves of spiral galaxies would be affected on kiloparsec scales for most values of E_0. By comparing the predicted rotation curves with observations of dwarf and low surface brightness galaxies, we show that the pressure from dark matter annihilation may improve the agreement between theory and observations in some cases, but it also imposes severe constraints on the model parameters (most notably, the inner slope of the halo density profile, as well as the mass and the annihilation cross-section of dark matter particles into electron-positron pairs). In the second part, upper limits on the dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs are obtained by combining observed data at different wavelengths (from Haslam, WMAP, and Fermi all-sky intensity maps) with recent measurements of the electron and positron spectra in the solar neighbourhood by PAMELA, Fermi, and H.E.S.S.. We consider synchrotron emission in the radio and microwave bands, as well as inverse Compton scattering and final-state radiation at gamma-ray energies. For most values of the model parameters, the tightest constraints are imposed by the local positron spectrum and synchrotron emission from the central regions of the Galaxy. According to our results, the annihilation cross-section should not be higher than the canonical value for a thermal relic if the mass of the dark matter candidate is smaller than a few GeV. In addition, we also derive a stringent upper limit on the inner logarithmic slope α of the density profile of the Milky Way dark matter halo (α < 1 if m_dm < 5 GeV, α < 1.3 if m_dm < 100 GeV and α < 1.5 if m_dm < 2 TeV) assuming a dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs (σv) = 3*10^−26 cm^3 s^−1, as predicted for thermal relics from the big bang. / Trotz vieler Hinweise auf die Existenz von dunkler Materie durch astrophysikalische Beobachtungen hat sich die dunkle Materie bis heute einem direkten oder indirekten Nachweis entzogen. Daher gehrt der Nachweis ihrer Existenz und die Enthüllung ihrer Natur zu einem der faszinierensten Herausforderungen der heutigen Kosmologie und Teilchenphysik. Diese Arbeit versucht die Natur von dunkler Materie durch indirekte Signaturen von der Paarzerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positronpaare auf zwei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich anhand des Drucks durch die Paarzerstrahlung dunkler Materie und durch Grenzen des Wirkungsquerschnitts für die Paarzerstrahlung dunkler Materie aus verschiedenen Beobachtungsbereichen. Wir konzentrieren uns dabei auf die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare und betrachten einen modellunabhängigen Fall, bei dem alle Elektronen und Positronen mit der gleichen Anfangsenergie E_0 ~ m_dm*c^2 injiziert werden. Die Fortbewegung dieser Teilchen wird dabei bestimmt durch die Lösung der Diffusions-Verlust-Gleichung unter Berücksichtigung von inverser Compton-Streuung, Synchrotronstrahlung, Coulomb-Streuung, Bremsstrahlung und Ionisation. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare die gemessene Rotationskurve signifikant beeinflussen kann. Die Produktionsrate ist dabei durch Daten von INTEGRAL, Fermi und H.E.S.S. begrenzt. Der Druck des relativistischen Elektron-Positron Gases wird aus dem Energiespektrum errechnet, welches durch die Diffusions-Verlust-Gleichung bestimmt ist. Für Werte der Gasdichte und des magnetischen Feldes, welche für unsere Galaxie repräsentativ sind, lässt sich abschätzen, dass für E_0 < 1 GeV die Druckgradienten stark genug sind, um Gravitationskräfte auszugleichen. Die genauen Werte hängen von den verwendeten astrophysikalischen Parametern ab, und sie ändern sich stark mit dem Anstieg des dunklen Materie-Profils. Für sehr große Anstiege, wie sie für adiabatische Kontraktion erwartet werden, werden die Rotationskurven von Spiralgalaxien auf Skalen von einegen Kiloparsek für die meisten Werte von E_0 beeinflusst. Durch Vergleich der erwarteten Rotationskurven mit Beobachtungen von Zwerggalaxien und Galaxien geringer Oberflächentemperatur zeigen wir, dass der Druck von Zerstrahlung dunkler Materie die Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung in einigen Fällen verbessern kann. Aber daraus resultieren auch starke Grenzen für die Modellparameter - vor allem für den inneren Anstieg des Halo-Dichteprofils, sowie die Masse und den Wirkungsquerschnitt der dunklen Materie-Teilchen. Im zweiten Teil werden obere Grenzen für die Wirkungsquerschnitte der Zerstrahlung der dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare erhalten, indem die beobachteten Daten bei unterschiedlichen Wellenlängen (von Haslam, WMAP und Fermi) mit aktuellen Messungen von Elektron-Positron Spektren in der solaren Nachbarschaft durch PAMELA, Fermi und H.E.S.S. kombiniert werden. Wir betrachten Synchrotronemission bei Radiound Mikrowellenfrequenzen, sowie inverse Compton-Streuung und Final-State-Strahlung bei Energien im Bereich der Gamma-Strahlung. Für die meisten Werte der Modellparameter werden die stärksten Schranken durch das lokale Positron-Spektrum und die Synchrotronemission im Zentrum unser Galaxie bestimmt. Nach diesen Ergebnissen sollte der Wirkungsquerschnitt für die Paarzerstrahlung nicht größer als der kanonische Wert für thermische Relikte sein, wenn die Masse der dunklen Materie-Kandidaten kleiner als einige GeV ist. Zusätzlich leiten wir eine obere Grenze für den inneren logarithmische Anstieg α des Dichteprofiles des dunklen Materie Halos unserer Galaxie ab.