Physik jenseits des Standardmodells

Transkript

1 Physik jenseits des Standardmodells 1

2 Inhalt Wiederholung/Probleme des Standardmodells Grand Unified Theories Supersymmetrie Zusammenfassung 2

3 Inhalt Wiederholung/Probleme des Standardmodells Fermionen Wechselwirkungen Sonstige Probleme Grand Unified Theories Supersymmetrie Zusammenfassung 3

4 Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen Wiederholung: Die Fermionen des Standardmodells Die Leptonen e - ν e Die Quarks µ - ν µ τ - ν τ u u u c c c t t t Quarks/Leptonen Eine Spalte enthält eine Generation Eine Zeile enthält Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften d d d s s s b b b 4

5 Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen Probleme: Die Fermionen des Standardmodells Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? (direkt nachgewiesen mit einer relativen Genauigkeit von ) Warum gibt es 3 Generationen? 5

6 Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen Wiederholung: Die WW im Standardmodell Allgemeine Relativitätstheorie Quantenchromodynamik Elektroschwache Theorie 6

7 Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen Probleme: Die WW im Standardmodell Der Gültigkeitsbereich G der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära) Warum gibt es 4 Kräfte? 7

8 Probleme/Wiederholung des Standardmodells Sonstige Probleme Sonstige Probleme / Ungelöste Fragen des SM Mindestens 18 Parameter im Standardmodell sind experimentell zu bestimmen (z.b. die Massen der Fermionen und der Bosonen,, die Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Matrix, Matrix, die leptonische Mischungsmatrix) Dunkle Materie!? Wo ist das Higgsboson? Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht u.a. 8

9 Inhalt Wiederholung/Probleme des Standardmodells Grand Unified Theories Exkursion: Symmetriegruppen Die SU(5) Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Supersymmetrie Zusammenfassung 9

10 10 Exkursion: Symmetriegruppen Exkursion: Symmetriegruppen des Standardmodells des Standardmodells Grand Unified Theories Exkursion: Symmetriegruppen = blau rot grün i rot grün blau d d d Gluonen e d d d ϕ SU (3) ( ) ( )( ) = e e γ U (1) L e i L e e e e = ν ν ϕ SU (2) + W W B z,..

11 Grand Unified Theories Exkursion: Symmetriegruppen Definition: Grand Unified Theories Die GUTs versuchen die starke, die schwache und die elektromagnetische Kraft zu vereinen Die Symmetriegruppe des Standardmodells: G SU ( 3) SU (2) U SU ( 3) SU (2) U (1) Idee: Diese Symmetriegruppe ist teil einer größ ößeren Symmetriegruppe G (1) 11

12 12 Die SU(5) Die SU(5) Die SU(5) ist die kleinste einfache Die SU(5) ist die kleinste einfache Symmetriegruppe, die das Standardmodell Symmetriegruppe, die das Standardmodell beherbergen kann: beherbergen kann: Grand Unified Theories Die SU(5) L e blau rot grün e d d d Z W Y Y Y W Z X X X Y X Z g g g Y X g Z g g Y X g g Z g ν γ γ γ γ γ ] [ ] [ ] [ Die neuen X Die neuen X- und Y und Y-Bosonen Bosonen können Quarks nnen Quarks in in Leptonen Leptonen umwandeln und umgekehrt umwandeln und umgekehrt

13 Grand Unified Theories Die SU(5) Phänomenologie der SU(5): Der Protonenzerfall p -> > e + + π 0 Lebensdauer des Protons für diesen Zerfallsmodus: => τ p > a M 15 X 10 GeV 13

14 Grand Unified Theories Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Zur elektromagnetischen Kopplungskonstanten F = 4 1 πε q q r ε ( r) 0 r q' = q ε r ( r) 14

15 Grand Unified Theories Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Zur starken Kopplungskonstanten Hier sind zwei Effekte wichtig: Eine Abschirmung der starken Ladung durch virtuelle Quark-Antiquark Antiquark-Paare: Eine Verstärkung rkung der starken Ladung durch eine Gluonenwolke um die Quarks: 15

16 Grand Unified Theories Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten im SM => Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht überein 16

17 Inhalt Wiederholung/Probleme des Standardmodells Grand Unified Theories Supersymmetrie Überblick Konsequenzen Experimentelle Überprüfung Zusammenfassung 17

18 Supersymmetrie - Überblick Supersymmetrie Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit Bosonen Sie sagt zu jedem Teilchen des Standardmodells mit Spin j ein weiteres Teilchen mit Spin j-1/2 j voraus 18

19 Supersymmetrie - Überblick Die Teilchen der SUSY Aber: Sie ist entweder gebrochen oder keine exakte Symmetrie der Natur Masse der neuen Teilchen von der Größenordnung 1 TeV 19

20 Supersymmetrie - Konsequenzen Die Kopplungskonstanten im MSSM => Protonenzerfall stimmt mit Theorie überein 20

21 Supersymmetrie Experimentelle Überprüfung Experimentelle Überprüfung Masse der SUSY- Teilchen: O(1 TeV) LEPII und Tevatron: O(100 GeV) LHC: Schwerpunktsenergie von 14 TeV 21

22 Inhalt Wiederholung/Probleme des Standardmodells Grand Unified Theories Supersymmetrie Zusammenfassung Lösung der Probleme des Standardmodells? 22

23 Zusammenfassung I Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in einem Multiplett Warum gibt es 3 Generationen? Lsg.: keine Der Gültigkeitsbereich G der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära) Lsg.: Gültigkeitsbereich G wird sich bei Bestätigung tigung der GUT und SUSY vergröß ößern 23

24 Zusammenfassung II Warum gibt es 4 Kräfte? Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte Mindestens 18 Parameter im Standardmodell sind experimentell zu bestimmen Lsg.: keine, Anzahl erhöht ht sich zunächst Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-BosonX verletzt Wo ist das Higgsboson? Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen 24