Experimente zur Physik jenseits des Standard-Modells

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1 Experimente zur Physik jenseits des Standard-Modells Peter Schleper Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg Sommer 2014 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 1

2 Gliederung P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 2

3 Literatur Vorlesung: Frei verfügbar im WEB: J.Feng, Dark matter at the Fermi Scale, S. Martin, A Supersymmetry Primer, hep-ph/ D.I. Kazakov, Beyond the Standard Model, CERN school LHC im Detail: WWW Seiten der ATLAS und CMS Experimente Weitere Artikel während der Vorlesung Lehrbücher: (DESY Bibliothek oder Bibliothek des Instituts für Experimentalphysik in Bahrenfeld) H.Baer, X. Tata, Weak Scale Supersymmetry, 2006 P. Binetruy, Supersymmetry, Theory, Experiment and Cosmology, 2006 Drees, Godbole, Roy, Theory and Phenomenology of Sparticles, 2004 G.Kane, Perspectives on Supersymmetry, 1998 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 3

4 Materie-Teilchen: 1. Generation Das Standard Modell: Teilchen und Kräfte Entdeckungen 2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm 3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top wegen Symmetrie zur 1.Generation Naturkräfte: 1. Elektromagnetismus 2. Schwache Kraft 3. Starke Kraft 4. Gravitation??? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 4

5 Grundbausteine der Natur Austauschteilchen Materieteilchen Warum diese Teilchen? Warum diese Massen? Higgs Teilchen!? Warum Unterschied für Fermionen und Bosonen? Supersymmetrie!? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 5

6 Das Standard-Modell 18 Teilchen, 26 freie Naturkonstanten Ist das ALLES? Bauprinzip? Vereinfachungen? Vereinheitlichungen? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 6

7 Eich-Theorie Quantenm. Spez. Relativit. Quantenfeldtheorie Eichsymmetrien Herleitung der Naturkräfte elektromagn., starke, schwache Kraft Quantentheorie: Teilchen... Wellen Nur Betrag der Wellen ist beobachtbar Phase der Welle ist beliebig lässt Experiment unverändert! Symmetrie der Natur Daraus folgt: Erhaltung der Elektr. Ladung g, Z, W, g haben Spin 1 Form der Kräfte Alle Teilchen in kompletten Generationen Vorhersage Charm, Top, Neutrinos Es muss ein Higgs Teilchen geben Higgs wechselwirkt mit Masse Quantenkorrekturen Selbstwechselwirkung von Z,W,g,H P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 7

8 Extrapolation der Naturgesetze Kosmologie und Teilchen P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 8

9 Dunkle Materie in Galaxien Gravitation ~ 1/r 2 " Rotationskurven (Keppler) Sonnensystem Galaxie NGC6503 Neue Form unsichtbarer Materie: Dark Matter = SUSY Teilchen? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 9

10 Evidenz für Dunkle Materie Dark Matter: Nicht leuchtende Materie Evidenz aus: Expansion des Universums (Supernovae): Ω Λ Ω M Rotationskurven von Galaxien: Ω DM Cosmic Microwave Background (CMB): Ω Λ Ω DM Galaxien-Cluster: Kinematik, X-Rays, Gravitationslinsen: Ω DM Big Bang Nucleosynthesis: Ω B M = Matter DM = Dark Matter Λ = kosmol. Konstante B = Baryonen Universum ist nahezu flach Ω B = 4 ± 0,4% Ω DM = 23 ± 4% Ω Λ = 73 ± 4% à Großer Teil der Materie leuchtet nicht und ist nicht Baryonisch à Im SM: Kein bekanntes Teilchen kommt in Frage (Neutrinos: zu geringer Anteil) à In SUSY: Lightest Supersymmetric Particle (LSP) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 10

11 Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Namensgebung: Fermion #" S-Fermion Boson #" Bos-ino Spin Standardteilchen 1/2 Leptonen (e, ν e, ) Quarks (u, d, ) 1 Gluonen W ± Z 0 Photon (γ) Superpartner Sleptonen (e, ~ ν ~ e, ) Squarks (u, ~ ~ d, ) Gluinos Wino Zino Photino ( γ ~ ) Spin 0 1/2 0 Higgs Higgsino 1/2 2 Graviton Gravitino 3/2 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 11

12 Supersymmetry & Dark Matter at LHC SUSY event: Squark production ETmiss = 360 GeV ETjet = 330, 140, 60 GeV Calorimeter energies φ η P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 12

13 Hinweise auf Supersymmetrie: Kopplungen Quantenkorrekturen beeinflussen Natur- Konstanten SM SUSY Standard-Modell: keine Vereinheitlichung Supersymmetrie: Vereinheitlichung (Grand Unification GUT) Hinweis auf neue Physik bei GeV?!? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 13

14 Präzisionsexperimente und Kosmologie Loop Korrekturen durch schwere SUSY Teilchen " Präzision 1. LEP: Strahlungskorrekturen zu ee! bb, WW, SUSY Teilchen ändern LOOP Korrekturen SUSY passt etwas besser als SM mit leichtem Higgs 2. µ! eγ verboten im SM Verletzt Leptonzahl-Erhaltung 3. b! s γ stark unterdrückt im SM 4. g-2 des Myons b ~ 5. Dunkle Materie in der Kosmologie q γ χ ± s Positive Evidenz mit kleinem Fehler!! Modellabhängig M LSP < 500 GeV 0 χ 0 χ ~ l l l P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 14

15 5. Zusammenfassung und Ausblick SM- Theory U(1) x SU(2) x (SU(3) Local gauge field theory, EWSB " Renormalizable " Free of anomalies Predictive power: W, Z, top, Higgs running of couplings Arbitraryness: Construction principle 18 particles, 26 constants Incomplete: Limited at High Energies (>1 TeV) Hierarchy problem, M H " GUT, SUSY, Gravity, à SUSY: M H, M GUT, Dark matter Experiment All (?) data correctly described Consistent picture of all interactions below 200 GeV " Outstanding success of the SM Higgs particle discovered Which? Cosmology: no explanation for Dark Matter, Dark Energy, Matter Antimatter Asymmetrie Tension between experiment and theory à Time for a decisive experiment: LHC P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 15

16 Theorien der Physik 2010? 2007 Energie, Temperatur, - Zeit P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 16

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