PHÄNOMENOLOGISCHE UNTERSUCHUNG DES MINIMALEN R-SYMMETRISCHEN SUPERSYMMETRISCHEN STANDARDMODELLS

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1 Bereich Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik, Institut für Kern- und Teilchenphysik PHÄNOMENOLOGISCHE UNTERSUCHUNG DES MINIMALEN R-SYMMETRISCHEN SUPERSYMMETRISCHEN STANDARDMODELLS Disputationsvortrag Philip Dießner Dresden, 20. Oktober 2016

2 P. Dießner, MRSSM 1/21 Übersicht 1 Einführung Standardmodell der Teilchenphysik Supersymmetrie und R-Symmetrie 2 Anwendung Phänomenologie Experimentelle Daten 3 Zusammenfassung

3 Phänomenologische Untersuchung des Minimalen R-symmetrischen Supersymmetrischen Standardmodells (der Teilchenphysik) P. Dießner, MRSSM 2/21

4 P. Dießner, MRSSM 3/21 Teilchenphysik Beschreibung der fundamentalen Bausteine der Natur Verständnis der zugehörigen Wechselwirkungen

5 P. Dießner, MRSSM 4/21 Das Standardmodell Teilchen und Wechselwirkung Leptonen Quarks u c d s ν e ν µ e µ h Higgsboson t b ν τ τ Eichbosonen g γ Z W ± Enthält die elementaren Bausteine der Materie (Fermionen mit Spin 1/2) Beschreibt starke, elektromagnetische und schwache Interaktionen (Bosonen mit Spin 1) Keine Gravitation Higgsmechanismus generiert Massen und Higgsteilchen (Spin 0)

6 Das Standardmodell Mathematische Beschreibung P. Dießner, MRSSM 5/21

7 P. Dießner, MRSSM 5/21 Das Standardmodell Mathematische Beschreibung Quantenfeldtheorie

8 P. Dießner, MRSSM 5/21 Das Standardmodell Mathematische Beschreibung Quantenfeldtheorie Inhalt implizit gleich

9 P. Dießner, MRSSM 5/21 Das Standardmodell Mathematische Beschreibung Quantenfeldtheorie Symmetrien Spezielle Relativitätstheorie via Poincarésymmetrie Erlaubt Unterscheidung von Bosonen und Fermionen Antimaterie Grundkräfte beschrieben durch Eichsymmetrien (SU(3) C SU(2) L U(1) Y ) Symmetrien führen zu erhaltenen Ladungen, z.b. Farbladung, elek. Ladung

10 Aktuelle Phänomene P. Dießner, MRSSM 6/21

11 P. Dießner, MRSSM 6/21 Aktuelle Phänomene Entdeckung des Higgsbosons Entdeckt 2012 von ATLAS und CMS am LHC Letztes fehlendes Teilchen des Standardmodells gefunden Erstes elementares Teilchen mit Spin 0 Nobelpreis der Physik 2013 g g h Z 0 Z * 0

12 Unzulänglichkeiten P. Dießner, MRSSM 7/21

13 P. Dießner, MRSSM 7/21 Unzulänglichkeiten Dunkle Materie (DM) 68.3% 26.8% 4.9% Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonische Materie Natur der meisten Materie unbekannt Masse, aber keine elektrische Ladung Im Standardmodell nur zu geringen Teilen erklärbar Mögliche Erklärung: Neues Teilchen außerhalb des Standardmodells

14 Phänomenologische Untersuchung des Minimalen R-symmetrischen Supersymmetrischen Standardmodells P. Dießner, MRSSM 8/21

15 P. Dießner, MRSSM 9/21 Supersymmetrie (SUSY) Erweiterung der Poincarésymmetrie Resultiert in Superpartner Änderung des Spins, ansonsten gleiche Ladungen

16 P. Dießner, MRSSM 9/21 Supersymmetrie (SUSY) Quarks Leptonen Erweiterung der Poincarésymmetrie Resultiert in Superpartner Änderung des Spins, ansonsten gleiche Ladungen u d ν e e h c s ν µ µ Higgsbosonen t b ν τ τ Eichbosonen g γ Z W ± H A H ± Squarks Sleptonen ũ d ν e ẽ h 0 u c s h 0 d Higgsinos ν µ µ h + u t b ν τ τ h d Gauginos g γ Z W

17 P. Dießner, MRSSM 10/21 R-Symmetrie Einführung Zusätzlich erlaubte Symmetrie zu SUSY Führt zu Ladung, vgl. mit elektr. Ladung

18 P. Dießner, MRSSM 10/21 R-Symmetrie Einführung Zusätzlich erlaubte Symmetrie zu SUSY Führt zu Ladung, vgl. mit elektr. Ladung SUSY forciert gleiche Ladungen bei Teilchen und Superpartner (z.b. elektr. Ladung) Ausnahme: Ladung der R-Symmetrie Q R Q R Q R Superpartner Eichboson 0 1 Materiefermion 0 1 Higgsboson 0 1

19 P. Dießner, MRSSM 10/21 R-Symmetrie Einführung Zusätzlich erlaubte Symmetrie zu SUSY Führt zu Ladung, vgl. mit elektr. Ladung SUSY forciert gleiche Ladungen bei Teilchen und Superpartner (z.b. elektr. Ladung) Ausnahme: Ladung der R-Symmetrie Q R Q R Q R Superpartner Eichboson 0 1 Materiefermion 0 1 Higgsboson 0 1 Normalerweise nicht betrachtet Ziel der Arbeit das zu ändern

20 R-Symmetrie Auswirkungen P. Dießner, MRSSM 11/21

21 P. Dießner, MRSSM 11/21 R-Symmetrie Auswirkungen Verbietet Leptonen- und Baryonenzahlverletzung kein Protonzerfall Leichtestes R-symmetrisches Teilchen kann nicht zerfallen Kandidat für dunkle Materie

22 P. Dießner, MRSSM 11/21 R-Symmetrie Auswirkungen Verbietet Leptonen- und Baryonenzahlverletzung kein Protonzerfall Leichtestes R-symmetrisches Teilchen kann nicht zerfallen Kandidat für dunkle Materie R-Geladene Teilchen Antiteilchen vorhergesagt Dirac- statt Majorana-Massen für Gauginos/Higgsinos Zusätzliche fermionische Teilchen nötig, somit auch weitere bosonische Teilchen vorhergesagt

23 P. Dießner, MRSSM 12/21 Minimales R-Symmetrisches Supersymmetrisches Standardmodell R-Ladung 0 R-Ladung 1 u c t g ũ c t g Õ d s b γ d s b γ S ν e ν µ ν τ Z ν e ν µ ν τ Z T 0 e µ τ W ± ẽ µ τ W T ± h H A H ± h 0 u h 0 d h + u h d S T 0 T ± O r 0 u r 0 d r u r + d R-Ladung 2 R 0 u R ± u R 0 d R ± d

24 P. Dießner, MRSSM 12/21 Minimales R-Symmetrisches Supersymmetrisches Standardmodell R-Ladung 0 R-Ladung 1 u c t g ũ c t g Õ d s b γ d s b γ S ν e ν µ ν τ Z ν e ν µ ν τ Z T 0 e µ τ W ± ẽ µ τ W T ± h H A H ± h 0 u h 0 d h + u h d S T 0 T ± O r 0 u r 0 d r u r + d R-Ladung 2 R 0 u R ± u R 0 d R ± d MRSSM

25 Phänomenologische Untersuchung des Minimalen R-symmetrischen Supersymmetrischen Standardmodells P. Dießner, MRSSM 13/21

26 Phänomenologie in der Teilchenphysik Definition Es ist die Aufgabe eines Phänomenologen, die konkreten Vorhersagen eines gegebenen Modells zu berechnen, um diese dann mit experimentellen Messwerten zu vergleichen. P. Dießner, MRSSM 14/21

27 Phänomenologie in der Teilchenphysik Definition Es ist die Aufgabe eines Phänomenologen, die konkreten Vorhersagen eines gegebenen Modells zu berechnen, um diese dann mit experimentellen Messwerten zu vergleichen. Modell: MRSSM P. Dießner, MRSSM 14/21

28 Phänomenologie in der Teilchenphysik Definition Es ist die Aufgabe eines Phänomenologen, die konkreten Vorhersagen eines gegebenen Modells zu berechnen, um diese dann mit experimentellen Messwerten zu vergleichen. Modell: MRSSM 68.3% 4.9% 26.8% Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonische Materie P. Dießner, MRSSM 14/21

29 P. Dießner, MRSSM 15/21 MRSSM Vorhersage MRSSM als Erweiterung des Standardmodells Erweiterter Higgssektor, insb. Singlett und Triplett Kandidat für dunkle Materie, Hier: Singlino R-Symmetrie liefert Einschränkungen an mögliche Wechselwirkungen

30 P. Dießner, MRSSM 15/21 MRSSM Vorhersage MRSSM als Erweiterung des Standardmodells Erweiterter Higgssektor, insb. Singlett und Triplett Kandidat für dunkle Materie, Hier: Singlino R-Symmetrie liefert Einschränkungen an mögliche Wechselwirkungen Relevante Parameter Gauginomassen: M D B, bestimmt Masse des DM-Teilchens Higgsinomassen: µ u, µ d (> M D B ) Yukawakopplungen: Y t, Λ Bosonmassen: m S, m T

31 P. Dießner, MRSSM 16/21 Beobachtung des Higgsbosons Masse des Higgsboson im Standardmodell freier Parameter In SUSY-Modellen klare Relation zu anderen Modellparametern

32 Beobachtung des Higgsbosons Masse des Higgsboson im Standardmodell freier Parameter In SUSY-Modellen klare Relation zu anderen Modellparametern Vorhersage in niedrigster Ordnung Störungstheorie m 2 h < Widerspruch? m2 Z }{{} Masse des Z-Bosons v 2 ( g2 M D W + Λµ) 2 4(M D W )2 + m 2 T }{{} Zusätzliche Beiträge des MRSSM P. Dießner, MRSSM 16/21

33 P. Dießner, MRSSM 17/21 Quantenkorrekturen zur Masse Positive Quantenkorrekturen durch Top-Quark und dessen Superpartner, sowie durch Triplett mh,y 2 t = 6v 2 [ 16π 2 Yt 4 log m ] t 1 m t2 mt 2 mh,λ 2 = 2v 2 [ ] 5Λ 4 16π 2 8 log m2 T (MW D )2 h B h h F F h v SM-Vakuumerwartungswert Y t Kopplung Top-Higgsboson m t, m t Masse des Top-Quarks und dessen Superpartner Λ Kopplung Higgsinos - Triplett m T, MW D Masse des Tripletts und dessen Superpartners

34 P. Dießner, MRSSM 17/21 Quantenkorrekturen zur Masse Positive Quantenkorrekturen durch Top-Quark und dessen Superpartner, sowie durch Triplett h B h h F F h m H1 [GeV] u Ergebnis: MRSSM kann Masse erklären

35 P. Dießner, MRSSM 18/21 Leichtes zusätzliches Boson Leichtes Singlett möglich Gauginomasse relevant: ms 2 + 4(MD B )2 (rot) m HS ohne Eichwechselwirkungen Quantenmechanische Mischung zwischen Singlett und Higgsboson m S [GeV] M D B [GeV] ( blau - ausgeschlossen (95% C.L.), grün - erlaubt, rot - Singletmasse)

36 Leichtes zusätzliches Boson Leichtes Singlett möglich Gauginomasse relevant: ms 2 + 4(MD B )2 (rot) m HS ohne Eichwechselwirkungen Quantenmechanische Mischung zwischen Singlett und Higgsboson m S [GeV] M D B [GeV] ( blau - ausgeschlossen (95% C.L.), grün - erlaubt, rot - Singletmasse) Parameterbereiche im Einklang mit Ergebnissen von LHC und LEP P. Dießner, MRSSM 18/21

37 P. Dießner, MRSSM 19/21 Dunkle Materie Direkter Nachweis Umgeben von dunkler Materie Streuexperimente um eine (sehr schwache) Wechselwirkung festzustellen MRSSM-Kandidat: Singlino (Superpartner des Singlett)

38 P. Dießner, MRSSM 19/21 Dunkle Materie Direkter Nachweis Umgeben von dunkler Materie Streuexperimente um eine (sehr schwache) Wechselwirkung festzustellen MRSSM-Kandidat: Singlino (Superpartner des Singlett) Prozesse interferieren

39 P. Dießner, MRSSM 19/21 Dunkle Materie Direkter Nachweis MRSSM-Kandidat: Singlino (Superpartner des Singlett) Bisher keine Beobachtung Grenzen auf Interaktionsrate (hier: LUX-Experiment) m q [GeV] Liefert Grenzen im Parameterraum u [GeV]

40 Untersuchung des Parameterraums Korrelationen zwischen verschiedenen Parametern Testbare Vorhersagen möglich u u [GeV] m H1 [GeV] P. Dießner, MRSSM 20/21

41 P. Dießner, MRSSM 20/21 Untersuchung des Parameterraums u u [GeV] m H1 [GeV] Korrelationen zwischen verschiedenen Parametern Testbare Vorhersagen möglich Annahme: am LHC leichtes skalares Teilchen gefunden Interpretation als Singlett des MRSSM Vorhersage: Leichtes DM-Teilchen (MB D < 60 GeV) Massen weiterer Superpartner durch andere Messgrößen eingeschränkt MRSSM prüfbar an aktuellen Experimenten

42 P. Dießner, MRSSM 21/21 Zusammenfassung Untersuchung des MRSSM Vergleich mit experimentellen Daten vollzogen Modell erklärt bekannte Beobachtungen und macht weitere Vorhersagen

43 P. Dießner, MRSSM 21/21 Zusammenfassung Untersuchung des MRSSM Vergleich mit experimentellen Daten vollzogen Modell erklärt bekannte Beobachtungen und macht weitere Vorhersagen Hier: Standardmodell Higgsboson und Singlett Dunkle Materie Direkter Nachweis

44 P. Dießner, MRSSM 21/21 Zusammenfassung Untersuchung des MRSSM Vergleich mit experimentellen Daten vollzogen Modell erklärt bekannte Beobachtungen und macht weitere Vorhersagen Hier: Standardmodell Higgsboson und Singlett Dunkle Materie Direkter Nachweis Weitere Ergebnisse: Weiterer Higgs-Sektor Elektroschwache Präzisionsobservablen Dunkle Materie Reliktdichte Direkte Suchen am LHC

45 P. Dießner, MRSSM 21/21 Zusammenfassung Untersuchung des MRSSM Vergleich mit experimentellen Daten vollzogen Modell erklärt bekannte Beobachtungen und macht weitere Vorhersagen Hier: Standardmodell Higgsboson und Singlett Dunkle Materie Direkter Nachweis Weitere Ergebnisse: Weiterer Higgs-Sektor Elektroschwache Präzisionsobservablen Dunkle Materie Reliktdichte Direkte Suchen am LHC Modell nicht ausgeschlossen und liefert nicht-triviale Vorhersagen für aktuelle und zukünftige Experimente

46 P. Dießner, MRSSM 21/21 Zusammenfassung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

47 Anhang P. Dießner, MRSSM 22/21

48 P. Dießner, MRSSM 23/21 Bildnachweise Alle zuletzt abgerufen , 11:45 Folie 3: quark_quer1.gif Folie 5: cern-mug-summarizes-standard-model-but-is-off-by-a-factor-of-2/ cernmug/ c Heretic Wear Folie 6: Phys. Rev. D. 90, (2014),

49 P. Dießner, MRSSM 24/21 SUSY-Algebra [P µ, P ν ] = 0 [P µ, J ρσ ] = i(g µρ P σ g µσ P ρ ) [J µν, J ρσ ] = i(g νρ J µσ + g µσ J νρ g µρ J νσ g νσ J µρ ) {Q α, Q β } = 2 ( σ µ) α β P µ {Q α, Q β } = {Q α, Q β [ } = 0 Qα, P µ] = [ P µ ], Q α = 0 [ J µν ] 1 (, Q α = 2 α σ µν Q ) [ [Q α, R] = Q α, Q α, R ] = Q α

50 P. Dießner, MRSSM 25/21 R-Symmetrie und R-Parität Transformation Superfeld exp(iτr)f (x µ, θ, θ) exp( iτr) = exp(iτq r )F (x µ, exp( iτ)θ, exp(iτ)θ) τ {0, 2π} Für R-Parität ist τ fixiert, übliche Z 2 R-Pariät: τ = nπ n ungerade exp( iτ) = exp(iτ) = 1 n gerade exp( iτ) = exp(iτ) = 1

51 P. Dießner, MRSSM 26/21 MSSM Quarks u d c s t b Eichbosonen g γ Squarks ũ d c s t b Gauginos g γ Leptons ν e e ν µ µ ν τ τ Z W ± Sleptons ν e ẽ ν µ µ ν τ τ Z W h H A H ± h 0 u h 0 d h + u h d Higgsbosonen Higgsinos

52 P. Dießner, MRSSM 27/21 SUSY-Brechung SUSY sagt gleiche Massen voraus: m e = mẽ Experimentell nicht bestätigt SUSY ist gebrochen Vorhersage neuer schwerer Teilchen

53 P. Dießner, MRSSM 28/21 Dirac Massen d 2 θ 2W α M W αφ a a vev = D M d 2 θ 2(θλ a )(θψ a ) + [ ] 2θθD a φ a } θσ µ {{ σ ν θ } Dµ, D a ν φ a g µν = M D ( λ a ψ a 2D a φ a ) h 0 d = 1 2 (v d + φ d + iσ d ), h 0 u = 1 2 (v u + φ u + iσ u ), T 0 = 1 2 (v T + φ T + iσ T ), S = 1 2 (v S + φ S + iσ S ). O = 1 2 (φ O + iσ O )

54 P. Dießner, MRSSM 29/21 MRSSM Superpotential W MRSSM =µ d ( ˆR d H d ) + µ u ( ˆR u H u ) + Λ d ( ˆR d ˆ T ) H d + Λ u ( ˆR u ˆ T ) H u + λ d Ŝ ( ˆR d H d ) + λ u Ŝ ( ˆR u H u ) Y d D (QH d ) Y e E (LH d ) + Y u (U QH u ). L MRSSM soft, MSSM-like = m2 q L,ij q * il q jl m 2 ũ R,ijũ * irũ jr m 2 d R d,ij ir * m 2 h d h d 2 m 2 h u h u 2 ( Bµ(h d h u ) + h. c. ). d jr m 2 l L,ij l * il l jl m 2 ẽ R,ijẽ * irẽ jr L MRSSM soft, Dirac = MD B ( B S + 2D B S) M D W ( W a T a + 2D a W T a ) M D O ( g a Õ a + 2D a g O a ) L MRSSM soft, add = m2 R d R d 2 m 2 R u R u 2 m 2 S S 2 m 2 T Tr(T * T ) m 2 O Tr(O * O).

55 P. Dießner, MRSSM 30/21 Massenmatrizen I Bµ v u v d Bµ 0 0 Bµ Bµ v d v M A = u ms 2 + λ2 d v d 2+λ2 uvu λ d Λ d v 2 d λ uλ u v 2 u 2 2 λ d Λ d v 2 d λ uλ u v 2 u 2 2 m 2 T + Λ2 d v 2 d +Λ2 uv 2 u 4.

56 P. Dießner, MRSSM 31/21 Massenmatrizen II ( MMSSM M M H 0 = T ) 21 M 21 M 22 ( m 2 M MSSM = Z cβ 2 + m2 A s2 β (mz 2 + m2 A )s ) βc β (mz 2 + m2 A )s βc β mz 2 s2 β +, m2 A c2 β M 22 = 4(MD B )2 + ms 2 + λ2 d v d 2+λ2 uvu 2 λ d Λ d vd 2 λ uλ u vu λ d Λ d vd 2 λ uλ u vu 2 2 4(M D 2 W )2 + mt 2 + Λ2 d v d 2+Λ2 uvu 2 4 ( v M 21 = d ( 2λ d µ eff,+ d g 1 MB D) v u( ) 2λ u µ eff, u + g 1 MB D) v d (Λ d µ eff,+ d + g 2 MW D ) v u(λ u µ eff, u + g 2 MW D ).

57 P. Dießner, MRSSM 32/21 Massenmatrizen III m χ = MB D g 1 1v d 2 g 1v u 0 MW D 1 2 g 2v d 1 2 g 2v u 1 2 λ d v d 1 2 Λ dv d µ eff,+ d λ u v u 1 2 Λ uv u 0 µ eff, u

58 P. Dießner, MRSSM 33/21 Massenmatrizen III ( g2 v T + MW D m χ + = 1 2 g 2 v d ( g2 v T + MW D m ρ = 1 2 Λ u v u 1 2 Λ d v d +µ eff, d 1 2 g 2 v u µ eff,+ u ) )

59 P. Dießner, MRSSM 34/21 Benchmarkpunkte Mass / GeV H4 H ± 3 A3 H ± 2 Õ S q Mass / GeV H4 ± H ± A3 H 3 2 Õ S H3 A2 H2 A1 R2 R1 H1 H ± 1 χ4χ3 χ2 χ1 χ ± ρ ± 2 χ ± 2 ρ ± 1 1 g t, b ÕP ν, l τ ± ± R H3 A2 R2 R1 H2 H1 A1 H ± 1 χ4χ3 χ ± ρ ± 2 χ2 χ ± 2 ρ ± 1 1 χ1 g q ÕP t, b ν, l ± τ ± R

60 Zwei-Schleifen-Beiträge 8 6 all contributions no sgluon and no gluino and no gluon and no 2 t, t b m 2L -m 1L [GeV] m 2L -m 1L [GeV] M D O [GeV] MRSSM, m O =2 TeV MRSSM, m O =10 TeV MRSSM, no sgluon con. MSSM, no stop mixing MSSM, stop mixing M D O [GeV] P. Dießner, MRSSM 35/21

61 P. Dießner, MRSSM 36/21 EWPO m W = ±0.015 GeV, m SM W = ±0.010 GeV T S U u m W [GeV] Full result SM+v T SM+v T +bosonic STU SM+v T +all STU u

62 Dunkle Materie Reliktdichte Ω DM h 2 = ± Heißes, expandierendes Universum DM in thermischen Gleichgewicht Universum expandiert und kühlt ab DM-Dichte friert aus P. Dießner, MRSSM 37/21

63 0.12 P. Dießner, MRSSM 37/21 Dunkle Materie Reliktdichte m [GeV] M D B [GeV] Ω DM h 2 = ± Heißes, expandierendes Universum DM in thermischen Gleichgewicht Universum expandiert und kühlt ab DM-Dichte friert aus Prozesse im MRSSM führen auf korrekte Reliktdichte

64 0 1 P. Dießner, MRSSM 38/21 Direkte LHC-Suchen I left-handed sleptons [GeV] m χ ATLAS ~ ± ~ llll -1 Ldt = 20.3 fb, ± 0 l ± χ l 1 ± 0 χ 1 0 ) 1 m(l ~± ) < m(χ s = 8 TeV SUSY Observed limit (±1 σ ) theory Expected limit (±1 σ exp ) LEP2 µ R All limits at 95% CL excluded m 0 1 [GeV] m~ ± [GeV] l m L [GeV]

65 0 1 P. Dießner, MRSSM 39/21 Direkte LHC-Suchen II right-handed sleptons [GeV] m χ ATLAS ~ ± ~ lrlr -1 Ldt = 20.3 fb, ± 0 l ± χ l 1 ± 0 χ 1 0 ) 1 m(l ~± ) < m(χ s = 8 TeV SUSY Observed limit (±1 σ ) theory Expected limit (±1 σ exp ) LEP2 µ R All limits at 95% CL excluded m 0 1 [GeV] m~ ± [GeV] l m L [GeV] 0.10

66 0.10 P. Dießner, MRSSM 40/21 Direkte LHC-Suchen III 500 MRSSM 500 MSSM m R [GeV] m R [GeV] m 0 ± 2, 1 [GeV] m 0 ± 2, 1 [GeV]

67 P. Dießner, MRSSM 41/ Direkte LHC-Suchen IV 500 heavy sleptons 500 heavy sleptons M D W [GeV] u [GeV] d = u [GeV] d [GeV]

68 P. Dießner, MRSSM 42/ Direkte LHC-Suchen V 500 light right-handed sleptons heavy sleptons u [GeV] u [GeV] d [GeV] d [GeV]

69 P. Dießner, MRSSM 43/21 Untersuchung Parameterraum I M D W [GeV] u M D W [GeV] u [GeV]

70 P. Dießner, MRSSM 44/21 Untersuchung Parameterraum I m qr [GeV] µ u [GeV] u [GeV] d [GeV]