One Ring to find them Neue Teilchen am LHC

Transkript

1 J. Reuter One Ring to find them Neue Teilchen am LHC Freiburg, One Ring to find them Neue Teilchen am LHC Ju rgen Reuter Albert-Ludwigs-Universita t Freiburg Antrittsvorlesung, Freiburg, 2. Juli 2007

2 Teilchenphysik - The High Energy Frontier System Größe Energie Moleküle 10 8 m 10 1 ev Atome m ev kev Kerne m 10 MeV Nukleonen m 1 GeV Auflösungsvermögen: x ( E) 1 Hochenergie-Beschleuniger

3 Das Standardmodell der Teilchenphysik Erfolge Wechselwirkung Stärke Reichweite Eigenschaft stark m elektromagnetisch 10 2 schwach m Gravitation Wechselwirkungen: relativistische Quantenfeldtheorien schwache WW: erklärt radioaktive Zerfälle Fermi, 1934 elektroschwache Vereinigung Glashow, Salam, Weinberg, starke WW: asymptotische Freiheit Gross, Politzer, Wilczek, 1973 Entdeckung des Gluons DESY 1979 W, Z CERN, 1983 Experimentelle Bestätigung: besser als 1%

4 Das Higgs-Boson A Long Expected Party Higgs: fundamentales Skalarfeld Brout, Englert, Higgs, 1964 Vakuumerwartungswert v = 246 GeV bricht elektroschwache Symmetrie zum Elektromagnetismus verleiht Elementarteilchen Masse koppelt proportional zur Masse 40 Jahre erfolglose Suche

5 Das Standardmodell der Teilchenphysik Zweifel Measurement Fit O meas O fit /σ meas α had (m Z ) (5) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A fb 0,l ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ± beschreibt Mikrokosmos (zu gut?) 28 freie Parameter Form des Higgs-Potentials? Hierarchie Problem chirale Symmetrie: δm f v ln(λ 2 /v 2 ) keine Symmetrie für Quantenkorrekturen zur Higgs-Masse δm 2 H Λ 2 Λ M Planck = GeV GeV 2 = ( ) GeV 2

6 Das Standardmodell der Teilchenphysik Zweifel beschreibt Mikrokosmos (zu gut?) 28 freie Parameter Form des Higgs-Potentials? M H [GeV] Λ[GeV] Hierarchie Problem chirale Symmetrie: δm f v ln(λ 2 /v 2 ) keine Symmetrie für Quantenkorrekturen zur Higgs-Masse δm 2 H Λ 2 M 2 Planck = (1019 ) 2 GeV GeV 2 = ( ) GeV 2

7 Offene Fragen 60 Vereinigung aller Wechselwirkungen (?) U(1) Baryonasymmetry N B N B 10 9 fehlende CP-Verletzung Flavour: drei Generationen Winzige Neutrino-Massen: m ν v2 M Dunkle Materie: stabil schwach wechselwirkend mdm 100 GeV Quantentheorie der Gravitation Kosmische Inflation Kosmologische Konstante α i SU(2) SU(3) Standard Model µ (GeV)

8

9 Ideen für Neue Physik seit 1970 (1) Symmetrie zur Eliminierung der Quantenkorrekturen Supersymmetrie: Spin-Statistik Korrekturen von Bosonen und Fermionen heben sich weg Little-Higgs-Modelle: Globale Symmetrien Korrekturen durch Teilchen gleicher Statistik heben sich weg (2) Neue Bausteine, Sub-Struktur Technicolor/Topcolor: Higgs gebundener Zustand stark wechselwirkender Teilchen (3) Nichttriviale Raumzeitstruktur eliminiert Hierarchie Zusätzl. Raumdimensionen: Gravitation erscheint nur schwach Nichtkommutative Raumzeit: Körnigkeit der Raumzeit (4) Ignorieren der Hierarchie Anthropisches Prinzip: Werte sind so, weil wir sie beobachten

10 Supersymmetrie (SUSY) Gelfand/Likhtman, 1971; Akulov/Volkov, 1973; Wess/Zumino, 1974 verknüpft Eich- und Raumzeit-Symmetrien Multipletts mit Fermionen und Bosonen gleicher Masse SUSY in der Natur gebrochen Ó ÓÒ J Q Q ÖÑ ÓÒ 0 Erweitere jedes Teilchen um einen Superpartner Minimales Supersymmetrisches Standard-Modell (MSSM) Masseneigenzustände: Charginos: χ ± = H ±, W ± Neutralinos: χ 0 = H, Z, γ

11 Hassliebe SUSY: Erfolge und Nebenwirkungen spontane SUSY-Brechung im MSSM E α i (SUSY-Partner im MeV-Bereich) Brechung in hidden sector Brechungsmechanismus induziert 100 freie Parameter löst Hierarchieproblem: δm H F log(λ 2 ) U(1) SU(2) SU(3) Standard Model µ (GeV) Λ(?) F = O(1 TeV) v = 246 GeV Existenz fundamentaler Skalare Form des Higgs-Potentials leichtes Higgs (M H = 90 ± 50 GeV) diskrete R-Parität SM-Teilchen gerade, SUSY-Partner ungerade verhindert zu schnellen Protonzerfall leichtester SUSY-Partner (LSP) stabil Dunkle Materie χ 0 1 Vereinigung der Kopplungskonstanten

12 Hassliebe SUSY: Erfolge und Nebenwirkungen spontane SUSY-Brechung im MSSM E α i (SUSY-Partner im MeV-Bereich) Brechung in hidden sector Brechungsmechanismus induziert 100 freie Parameter löst Hierarchieproblem: δm H F log(λ 2 ) U(1) SU(2) SU(3) MSSM µ (GeV) Λ(?) F = O(1 TeV) v = 246 GeV Existenz fundamentaler Skalare Form des Higgs-Potentials leichtes Higgs (M H = 90 ± 50 GeV) diskrete R-Parität SM-Teilchen gerade, SUSY-Partner ungerade verhindert zu schnellen Protonzerfall leichtester SUSY-Partner (LSP) stabil Dunkle Materie χ 0 1 Vereinigung der Kopplungskonstanten

13 Hassliebe SUSY: Erfolge und Nebenwirkungen spontane SUSY-Brechung im MSSM E 800 m [GeV] (SUSY-Partner im MeV-Bereich) Brechung in hidden sector Brechungsmechanismus induziert 100 freie Parameter löst Hierarchieproblem: δm H F log(λ 2 ) H 0, A 0 H± h 0 ll νl lr τ2 τ1 χ 0 χ χ 0 2 χ 0 1 ũl, dr ũr, dl χ ± 2 χ ± 1 g t2 b2 b1 t1 Λ(?) F = O(1 TeV) v = 246 GeV Existenz fundamentaler Skalare Form des Higgs-Potentials leichtes Higgs (M H = 90 ± 50 GeV) diskrete R-Parität SM-Teilchen gerade, SUSY-Partner ungerade verhindert zu schnellen Protonzerfall leichtester SUSY-Partner (LSP) stabil Dunkle Materie χ 0 1 Vereinigung der Kopplungskonstanten

14 SUSY will be discovered, even if non-existent

15 Und wenn nicht SUSY?

16 Higgs als Pseudo-Goldstone-Boson: Technicolor Nambu-Goldstone-Theorem: Spontane Brechung einer globalen Symmetrie: masselose (Goldstone)-Bosonen im Spektrum 1960/61 Color: Adler/Weisberger, 1965; Weinberg, Leichte Pionen als (Pseudo)-Goldstone-Bosonen der spontan gebrochenen chiralen Symmetrie O(1 GeV) O(150 MeV) v Λ Skala Λ: chirale Symmetriebrechung, Quarks, SU(3) C Skala v: Pionen, Kaonen,...

17 Higgs als Pseudo-Goldstone-Boson: Technicolor Nambu-Goldstone-Theorem: Spontane Brechung einer globalen Symmetrie: masselose (Goldstone)-Bosonen im Spektrum 1960/61 Technicolor: Georgi/Pais, 1974; Georgi/Dimopoulos/Kaplan, 1984 Leichtes Higgs als (Pseudo)-Goldstone-Bosonen einer neuen spontan gebrochenen chiralen Symmetrie O(1 TeV) O(250 GeV) v Λ Skala Λ: chirale Symmetriebrechung, Techni-Quarks, SU(N) T C Skala v: Higgs, Techni-Pionen experimentell eingeschränkt, aber nicht ausgeschlossen

18 Kollektive Symmetriebrechung, Moose-Modelle Kollektive Symmetriebrechung: Arkani-Hamed/Cohen/Georgi/Nelson/..., verschiedene globale Symmetrie; eine davon ungebrochen Higgs exaktes Goldstone-Boson Higgs-Masse erst durch Quantenkorrekturen 2. Ordnung: M H (0.1) 2 Λ O(10 TeV) O(1 TeV) O(250 GeV) F v Λ Skala Λ: chirale SB, starke WW Skala F : Pseudo-Goldstone-Bosonen, neue Eichbosonen Skala v: Higgs

19 Little-Higgs-Modelle Ökonomische Implementierung der kollektiven Symmetriebrechung Neue Teilchen: Eichbosonen: γ, Z, W ± Schwere Fermionen: T, U, C,... Quantenkorrekturen zu M H eliminiert durch Teilchen gleicher Statistik Littlest Higgs Arkani-Hamed/Cohen/Katz/Nelson, 2002 M [GeV] Φ Φ ± Φ ±± Little Big Higgs : Higgs schwer ( GeV) diskrete T -(TeV-Skala)-Parität: ermöglicht leichtere neue Teilchen Dunkle Materie: LTOP (lightest T-odd), meistens γ h η Φ P Z γ W ± W ± Z T U, C t

20 Extra Dimensionen & Higgslose Modelle Higgsless Models : Higgs Komponente höherdim. Eichfeldes Large Extra Dimensions : Kontinuum von Zuständen Warped Extra Dimensions : diskrete, auflösbare Resonanzen Randall/Sundrum, 1999 Universal Extra Dimensions : auch Fermionen/Eichbosonen in höheren Dimensionen Motivation: Stringtheorie 3 + n Raumdimensionen: Radius R n 17 cm Antoniadis, 1990; Arkani-Hamed/Dimopoulos/Dvali, 1998 Gravitation stark in höheren Dimensionen Teilchen im Potentialtopf: Kaluza-Klein-Tower Produktion von Mini-Black Holes am LHC

21 Extra Dimensionen & Higgslose Modelle Higgsless Models : Higgs Komponente höherdim. Eichfeldes Large Extra Dimensions : Kontinuum von Zuständen Warped Extra Dimensions : diskrete, auflösbare Resonanzen Randall/Sundrum, 1999 Universal Extra Dimensions : auch Fermionen/Eichbosonen in höheren Dimensionen Motivation: Stringtheorie 3 + n Raumdimensionen: Radius R n 17 cm Antoniadis, 1990; Arkani-Hamed/Dimopoulos/Dvali, 1998 Gravitation stark in höheren Dimensionen Teilchen im Potentialtopf: Kaluza-Klein-Tower Produktion von Mini-Black Holes am LHC

22 KK-Parität und Dunkle Materie typische Kaluza-Klein-Spektren mass G Μ 1,0 W Μ 1,0 B Μ 1,0 H 1,0 GH 1,0 WH 1,0 BH 1,0 1 R 500 GeV Q 3 1,0 Q 1,0 D 1,0 L 1,0 1,0 T 1,0 U 1,0 mass G Μ 1,1 W Μ 1,1 B Μ 1,1 GH 1,1 H 1,1 WH 1,1 BH 1,1 1 R 500 GeV Q 3 1,1 Q 1,1 D 1,1 L 1,1 1,1 T 1,1 U 1,1 Struktur des Spektrums ähnlich zu SUSY, aber im Spin verschoben Dunkle Materie: leichtestes KK-ungerades Teilchen (LKP) Photonresonanz γ (in 5D Vektor, in 6D Skalar) Zitat der SUSY-Orthodoxie: This is a strawman s model invented with the only purpose to be inflamed to shed light on the beauty of supersymmetry!

23 Nichtkommutative Raumzeit Wess et al., 2000 Annahme: nichtkommutierende Raumzeit-Koordinaten [ˆx µ, ˆx ν ] = iθ µν Klassisches Analogon: geladenes Teilchen im untersten Landau-Niveau: {x i, x j } P = 2c(B 1 ) ij /e Niederenergie-Limes in Stringtheorien Seiberg/Witten, 1999 Yang-Landau-Theorem verletzt: Z γγ, gg möglich Richtung im Universum: Rotationsinvarianz gebrochen Streuquerschnitte hängen vom Azimuthwinkel ab Unterschiedliche Signale bei Drehung der Erde Number of Events LHC ( Λ NC K ZZ γ s -1 = 14 TeV; L = 10 fb ) = 100 GeV =-0.021; K Z γγ = standard model B = (1,0,0) E = (1,0,0) Φ(γ) Dunkle Materie, Kosmologie, theoretische Probleme E

24 Welches Modell? A Conspiracy Unmasked

25 Neue Teilchen am Large Hadron Collider CERN: ab Mai 2008 pp-collider s = 14 TeV

26 Die Herausforderung des LHC QCD Partonische Subprozesse: qq, qg, gg Keine feste partonische Energie WW proton - (anti)proton cross sections QCD σ tot 10 8 σ (nb) Tevatron σ b σ jet (E jet T > s/20) σ W σ Z σ jet (E jet T > 100 GeV) σ t σ jet (E jet T > s/4) σ Higgs (M H = 150 GeV) LHC events/sec for L = cm -2 s -1 Â Ø R = σl L = cm 1 s 1 Hohe Raten für t, W/Z, H, große Untergründe ÏÏ p T p η p 10-6 σ Higgs (M H = 500 GeV) s (TeV) 10-7 e

27 Die Herausforderung des LHC Partonische Subprozesse: qq, qg, gg Keine feste partonische Energie proton - (anti)proton cross sections σ tot 10 8 σ (nb) σ b σ jet (E jet T > s/20) σ W σ Z σ jet (E jet T > 100 GeV) Tevatron LHC events/sec for L = cm -2 s -1 R = σl L = cm 1 s 1 Hohe ÓÖÛ Ö Raten für t, W/Z, H, große Untergründe ÏÏ ÒØÖ Ð 10-3 σ t σ jet (E jet T > s/4) σ Higgs (M H = 150 GeV) η = 5 η = σ Higgs (M H = 500 GeV) η = 0 s (TeV)

28 Die Detektoren z.b. ATLAS

29 J. Reuter One Ring to find them Neue Teilchen am LHC Die Detektoren z.b. ATLAS Freiburg,

30 Die Suche nach dem Higgs Produktion: Gluon-/Vektorboson-Fusion zerfällt bevorzugt in schwerste Teilchen b b hoffnungslos: Untergrund! Detektion seltener Zerfälle Komplizierte Suche: viele Kanäle hohe Statistik notwendig γγ: Massenbestimmung M H > 135 GeV: ZZ llll

31 Die Suche nach dem Higgs Produktion: Gluon-/Vektorboson-Fusion zerfällt bevorzugt in schwerste Teilchen b b hoffnungslos: Untergrund! Detektion seltener Zerfälle Komplizierte Suche: viele Kanäle hohe Statistik notwendig γγ: Massenbestimmung M H > 135 GeV: ZZ llll

32 Die Suche nach dem Higgs Produktion: Gluon-/Vektorboson-Fusion zerfällt bevorzugt in schwerste Teilchen b b hoffnungslos: Untergrund! Detektion seltener Zerfälle Komplizierte Suche: viele Kanäle hohe Statistik notwendig Signal significance 10 2 L dt = 30 fb -1 (no K-factors) ATLAS h γ γ tth (h bb) h ZZ (*) 4 l h WW (*) lνlν qqh qq WW (*) qqh qq ττ Total significance γγ: Massenbestimmung 10 M H > 135 GeV: ZZ llll M h (GeV/c 2 )

33 Die Suche nach dem Higgs Produktion: Gluon-/Vektorboson-Fusion zerfällt bevorzugt in schwerste Teilchen b b hoffnungslos: Untergrund! Detektion seltener Zerfälle Komplizierte Suche: viele Kanäle hohe Statistik notwendig γγ: Massenbestimmung M H > 135 GeV: ZZ llll

34 Suche nach neuen Teilchen Zerfallsprodukte schwerer Teilchen: high-pt Jets viele harte Leptonen Produktion farbiger Teilchen schwach ww. Teilchen nur in Zerfällen Dunkle Materie diskrete Parität (R, T, KK) evt/10 GeV L = 100 fb pt(b/ b) [GeV] nur Paare neuer Teilchen hohe Energien, lange Zerfallsketten Dunkle Materie große fehlende Energie im Detektor ( /ET ) Unterschiedliche Modelle/Zerfallsketten gleiche Signaturen

35 Suche nach neuen Teilchen Zerfallsprodukte schwerer Teilchen: high-pt Jets viele harte Leptonen Produktion farbiger Teilchen schwach ww. Teilchen nur in Zerfällen Dunkle Materie diskrete Parität (R, T, KK) nur Paare neuer Teilchen hohe Energien, lange Zerfallsketten Dunkle Materie große fehlende Energie im Detektor ( /ET ) Unterschiedliche Modelle/Zerfallsketten gleiche Signaturen q q q L q R q q l l lr l l R χ 0 1 l χ 0 1

36 Modell-Diskriminierung A Journey to Cross-Roads Masse neuer Teilchen: Endpunkte von Zerfallsspektren 0.04 q L χ 0 2 q Events/1 GeV/100 fb dp / d(cos θ * ) / SUSY UED PS χ m(ll) (GeV) cos θ * R Spin neuer Teilchen: Spin neuer Teilchen: Winkelverteilungen,... Modellbestimmung: Messung von Kopplungskonstanten Präzise Vorhersagen für Signal und Untergründe Berücksichtigung von kinematischen Schnitten Exklusive Vielteilchen-Endzustände: 2 4 bis 2 10 Quantenkorrekturen: Reelle und virtuelle Korrekturen

37 J. Reuter Ausblick One Ring to find them Neue Teilchen am LHC Freiburg, pedo mellon a minno. I LHC: neues Zeitalter der Physik bricht an I Neue Teilchen, neue Symmetrien, neue Wechselwirkungen I Dunkle Materie I Spannende Zeiten! Will man nun annehmen, dass das abstrakte Denken das Ho chste ist, so folgt daraus, dass die Wissenschaft und die Denker stolz die Existenz verlassen und es uns anderen Menschen u berlassen, das Schlimmste zu erdulden. Ja es folgt daraus zugleich etwas fu r den abstrakten Denker selbst, dass er na mlich, da er ja doch selbst auch ein Existierender ist, in irgendeiner Weise distrait sein muss. Søren Kierkegaard

38 Ausblick pedo mellon a minno. LHC: neues Zeitalter der Physik bricht an Neue Teilchen, neue Symmetrien, neue Wechselwirkungen Dunkle Materie Spannende Zeiten! Will man nun annehmen, dass das abstrakte Denken das Höchste ist, so folgt daraus, dass die Wissenschaft und die Denker stolz die Existenz verlassen und es uns anderen Menschen überlassen, das Schlimmste zu erdulden. Ja es folgt daraus zugleich etwas für den abstrakten Denker selbst, dass er nämlich, da er ja doch selbst auch ein Existierender ist, in irgendeiner Weise distrait sein muss. Søren Kierkegaard