Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 11, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik Dunkles Universum - Einführung - WIMP-Kandidaten - Supersymmetrie (SUSY): SUSY-Multiplette Neutralinos R-Parität KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Abschirmmethoden Passive Abschirmung gegen Gammas & Neutronen - externer Veto zur Identifikation von Myonen (Szintillator, Cherenkov) Unterdrückung von Neutronen aus Myon-Reaktionen - massive Blei-Abschirmung Unterdrückung von Gammas - Polyethylen Moderierung von Neutronen - Reinst-Kupfer Unterdrückung der intrinsischen Gamma-Aktivität der Pb-Abschirmung Ultimatives Abschirm-Limit (bei Targetmassen von to.): - solare Neutrinos - atmosphärische Neutrinos G. Drexlin VL11

3 3. Dunkles Universum Einführung, WIMP Kandidaten, Neutralino-Suche am LHC, indirekte Nachweismethoden, direkte Nachweismethoden, Axionen, Dunkle Energie indirekt LHC f direkt f G. Drexlin VL11

4 3.1 Einführung Kalte Dunkle Materie manifestiert sich auf allen kosmologischen (Gpc) & astrophysikalischen (Mpc - kpc) Skalen - Teilchenphysikalischer Ursprung? Halo aus Dunkler Materie n c10 nr a a G. Drexlin VL11 G

5 WIMPs im frühen Universum Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs): - nicht-baryonische, thermische Relikte aus dem Big Bang, die mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten propagieren - Eigenschaften: nur schwach wechselwirkend, unterliegen der Gravitation thermodynam. Gleichgewicht Big Bang Ausfrieren der WIMPs 10-9 s: letzte WIMPs annihilieren 10-8 s: WIMPs propagieren Hubble- Expansion WIMP-Phasen: 1 Erzeugung & Vernichtung im thermodynam. Gleichgewicht 2 Entkopplung ( Ausfrieren ) 3 WIMP Propagation (nichtrelativistische Geschwindigkeit) WIMP-Dichten: - im heutigen Universum (im Mittel) W CDM 0.27 r WIMP 1 GeV/m G. Drexlin VL11

6 heutiges Universum lokale WIMP Dichte lokale WIMP Dichte ist wesentlich höher als mittlere WIMP-Dichte Abschätzung: Rotationsgeschwindigkeit der Sonne v r r 2 rot GM 2 r r 3 v 4 r 2 rot lokal 2 G mit Mr 4 r 3 3 r r DM,lokal 0.3 GeV/cm 3 r = 8 kpc r v rot = 230 km/s Masse? r(r) Milchstraße Halo-Dichte Profil r(r)1/r 2 5 r DM, 10 r lokal DM Lokale DM-Dichte: wichtige Größe für direkte WIMP Suche r baryonisch r WIMP = 50 GeV/150 cm G. Drexlin VL11

7 log Wirkungsquerschitt (s int /1pb) WIMP 3.2 WIMP-Kandidaten schwache Wechselwirkung s EW < 1 pb ( = cm 2 ) energieabhängig Neutrino n Neutralino c MSSM Standardmodell-Teilchen: Neutrino-Wechselwirkung: s n,ew = cm 2 = pb Supersymmetrie-Teilchen: Neutralino-Wechselwirkung: s c = cm 2 = pb 10-2 s n,ew kev GeV M GUT M Pl unterdrückt relativ zu s n,ew durch Mischungseffekte log Teilchenmasse (M/1GeV) G. Drexlin VL11

8 log Wirkungsquerschitt (s int /1pb) WIMPzilla WIMP WIMP-Teilchenkandidaten für CDM Axion leichtes ( ev) WIMP, entsteht bei nichtthermischen Prozessen, postuliert in vielen String-Theorien, CP in der QCD Neutrino n Neutralino c MSSM Axino -15 SUSY-Partner des Axions, aus Zerfällen von SUSY-Teilchen Gravitino SUSY-Partner des Gravitons, nur gravitative Wechselwirkung WIMPzilla extrem massereiche, nichttherm. Relikte (Krümmungseffekte) G. Drexlin VL Axion Axino Gravitino kev GeV M GUT M Pl log Teilchenmasse (M/1GeV)

9 Supersymmetrie (SUSY) & WIMPs Supersymmetrie: Bosonen Fermionen - SUSY postuliert Superpartner zu den SM-Teilchen - neutraler Superpartner (c 0 ) : idealer WIMP Kandidat (CDM) Supersymmetrischer Partner Spin differiert um Ds = ½ Q Boson> = Fermion> Q Fermion> = Boson> Q: SUSY-Operator mit Spin ½ transformiert Boson Fermion SUSY = Raumzeit-Symmetrie : erste supersymmetrische Quantenfeldtheorie (Wess-Zumino Modell) durch Julius Wess (Karlsruhe) Bruno Zumino (CERN) Julius Wess ( ) Leiter des KIT Instituts für Theoretische Physik von G. Drexlin VL11

10 Supersymmetrie (SUSY) Supersymmetrie eine spontan gebrochene Symmetrie: - quantenmechanisches Vakuum ist nicht invariant unter einer supersymmetrischen Transformation, sonst wären Massen von SM- & SUSY Teilchen gleich SM-Teilchen Squarks Sleptonen Gauginos Supersymmetrie-Teilchen Massenunterschiede zwischen SM- und SUSY-Teilchen! SM-Teilchenmassen << SUSY-Teilchenmassen ( TeV) Skala der Symmetriebrechung wird erwartet bei Energien 1 TeV dadurch: Lösung des Hierarchieproblems M H << M Planck (2012: leichtes SM-Higgs-Boson mit Masse M H = 125 GeV) weshalb Symmetriebrechung bei 1 TeV? (neues Hierarchie-Problem!) G. Drexlin VL11

11 SUSY & Vereinheitlichung der Kräfte Indirekte Hinweise auf SUSY-Existenz durch: - Vereinheitlichung der energieabhängigen Eichkopplungen a i (E) der drei Wechselwirkungen (elektromagnetisch, schwach, stark) bei einer (extrem hohen) Energieskala L GUT < M Planck Grand Unified Theorien (GUTs) GUT-Skala Energie (GeV) G. Drexlin VL11

12 SUSY & Vereinheitlichung der Kräfte Verlauf der Eichkopplungen: a 1 : elektromagnetisch a 2 : schwach a 3 : stark Standardmodell (SM): kein Schnittpunkt der 3 Eichkopplungen a i Minimales supersymmetrisches Standardmodell (MSSM): Eichkopplungen werden vereinigt bei M GUT GeV MSSM-Teilchen in Loops M GUT Q [GeV] Q [GeV] G. Drexlin VL11

13 Supersymmetrie: MSSM MSSM Minimales Supersymmetrisches Standard Modell): 105 neue physikalische Parameter: - Teilchenmassen (Skalare, Gauginos, ), - CP-Phasen - Mischungswinkel G. Drexlin VL11

14 Supersymmetrie: cmssm cmssm (constrained MSSM) Reduktion auf 5 physikalische Parameter vereinheitlichte Teilchen-Massen bei GUT-Skala m ½ = Masse aller Spin ½ SUSY-Teilchen = Masse aller skalaren SUSY-Teilchen m 0 skalare Teilchen m 0 Spin ½ Teilchen m ½ Squarks Sleptonen G. Drexlin VL11

15 Supersymmetrie W baryonisch W HDM Aufbau der Materie: Baryonen, CDM, HDM W CDM G. Drexlin VL11

16 Supermultiplette Quarks & Leptonen Supermultiplette: SM-Teilchen & Superpartner mit N Fermionen = N Bosonen skalare / chirale Supermultiplette s = ½ Quarks Squarks Leptonen ( u L, d ( u ( d L R R, u, u, d L R Sleptonen, d ) R ) ) ( n, e, el, n (, e e e e ) R R L L ) s = G. Drexlin VL11

17 Supermultiplette Eichbosonen ( g, g ) ( W, W 0 0 ( B, B ) 0, W, W 0 ) Eich- / vektorielle Supermultiplette Eichbosonen Gauginos (, ) ( g, g ) s = 1 s = ½ G. Drexlin VL11

18 Supermultiplette Higgsbosonen H u H d 2 Higgs-Multiplette: Y = +½, -½ Supermultiplette 0 0 ( Hu, Hu, Hu, Hu ) für Q = +⅔ e 0 0 ( H,,, ) Higgs Higgsino d Hd Hd Hd für Q = -⅓ e, l ± 5 physikal. Zustände: h, H, A, H ± s = 0 s = ½ G. Drexlin VL11

19 Supersymmetrie - SUGRA Supergravitation: unter Einbeziehung der Gravitation wird SUSY von einer globalen in eine lokale Eichsymmetrie erhoben - Gravitino G (s = 3/2) mit Masse m 3/2 Superpartner von Graviton G (s = 2) s = 2 Graviton ( G, G) s = 3/2 Gravitino G G Graviton Gravitino G. Drexlin VL11

20 LSP Kandidaten: Übersicht Eigenschaften des LSP: - keine elektromagnetische/starke Wechselwirkung - neutral, da keine gebundenen Zustände mit Baryonen (Bsp: Auftreten exotischer Isotope) beobachtet keine Squarks, geladene Sleptonen, Charginos, als LSP! neutrale Superpartner in der SUSY: - Sneutrinos (s = 0, Skalare: n e, n µ, n t ) - Gravitinos (s = 3/2, Fermionen: G) - Gauginos / neutrale Eichbosonen (s=½, Fermionen) Photino, Zino Z 0 & 2 neutrale Higgsinos H 0 n G c 0 s = 0 s=3/2 s=½ G. Drexlin VL11

21 LSP Kandidaten: Sneutrinos Sneutrinos als LSP? - Sneutrinos = skalare Superpartner der SM-Neutrinos n e, n µ, n t - ebenfalls rein linkshändig (schwache Wechselwirkung) - identische Wechselwirkungsstärke relativ zu n s - Sneutrinos mit M(n) > 100 GeV sind nicht die dominante e CDM-Komponente, da dann ihre Dichte im Universum durch rasche Annihilationsprozesse vor dem Ausfrieren zu gering ist n n ), n, ( n µ t Sneutrinos-Limits an Beschleunigern - LEP: Z 0 Breite schließt M(n) < 45 GeV aus - am LHC bisher keine Hinweise auf Sneutrinos - Massengrenze M(n) > TeV (2011) G. Drexlin VL11

22 Mischungen von Gauginos & Higgsinos SUSY-Teilchen mit identischen Quantenzahlen mischen! analoge Mischungs-Effekte wie bei SM-Teilchen (Beispiel: Neutrinos, vgl. Kap. 4.2 in ATP-II) Flavour-Eigenzustände Gauginos & Higgsinos = Flavour-Eigenzustände existieren nur zum Zeitpunkt ihrer Wechselwirkung diese Zustände haben keine definierte Masse! c 0 Higgsino Massen-Eigenzustände Neutralinos & Charginos = Massen-Eigenzustände WIMPs während ihrer Propagation (Universum) die Flavour-Anteile definieren die Wechselwirkungsstärke (z.b. bei Annihilation, Streuung)! Gauginos G. Drexlin VL11

23 Gauginos & Higgsinos: Charginos elektroschwache Gauginos (4) und Higgsinos (4) mischen zu: - 4 Neutralinos (4 Massen-Eigenzustände) - 4 Charginos (2 Masseneigenzustände mit je 2 Ladungszuständen) Charginos: - die 2 geladenen SUSY-Gauginos, d.h. die Wino-Eichbosonen W + W - & die 2 geladenen Higgsinos H +,H - weisen identische Quantenzahlen auf: Mischung zu 2 Fermion-Massenzuständen, den Charginos c ± 1,2 W Flavourbasis W H u H d Mischungs- Matrix Massenbasis c c leicht 1 2 schwer c G. Drexlin VL11

24 Neutralinos Neutralinos: - die 2 neutralen supersymmetr. Eichbosonen (Gauginos) Bino B 0 & Wino W 0 (bzw. Photino & Zino Z 0 ) & die 2 neutralen Higgsinos H 0 haben identische Quantenzahlen & mischen zu den 4 Neutralinos c 0 Flavourbasis 4 4 Matrix Massenbasis c Z H u H d c1 c2 c3 4 leicht schwer c 0 elektroschwache Symmetriebrechung B W H u H d ist das leichteste Neutralino stabil? G. Drexlin VL11

25 Supersymmetrisches Massenspektrum Higgsino H 0 Gluino g 0 s=½ c 0 1 Wino W 0 Bino B 0 m 0.4 m ½ Neutralino GUT Skala m ½ = GUT-Masse aller Gauginos G. Drexlin VL11

26 Supersymmetrie: R-Parität & LSP leichtestes Neutralino c 0 als CDM-WIMP muss kosmologisch stabil sein 1 Einführung einer neuen multiplikativen Quantenzahl R-Parität R P R p =(-1) 3B+L+2S bzw. R p =(-1) 3(B-L)+2S R p verknüpft mit B: Baryonenzahl, L: Leptonzahl, S: Spin SM-Teilchen: R p = +1 (gerade) Superpartner: R p = -1 (ungerade) Superpartner können nur in Superpartner zerfallen Konsequenz: leichtestes SUSY Teilchen mit R p = -1 ist stabil: LSP (Lightest Supersymmetric Particle) stabiles LSP ist WIMP-Kandidat für CDM G. Drexlin VL11

27 (nicht-) thermische Teilchen thermische Erzeugung: - Teilchen sind im heißen frühen Universum im thermischen Gleichgewicht durch Wechselwirkungsprozesse - bei Ausfriertemperatur T fr wird Häufigkeit W i und L free-streaming Länge l i (CDM/HDM) festgelegt - Beispiel: LH Neutrinos n i (HDM), LH Sneutrinos n i Neutralinos c 0 (CDM) nicht-thermische Erzeugung: - Teilchen sind im heißen frühen Universum nicht im thermischen Gleichgewicht, ihre Wechselwirkungsprozesse sind zu schwach - Häufigkeit W i daher festgelegt durch Zerfallsraten der Mutterteilchen, Oszillationsraten - Beispiel: RH Neutrinos n i (WDM), RH Sneutrinos n i & Axionen a (CDM) n R a a n L G n c G. Drexlin VL11

28 Neutralinos als LSP leichtestes Neutralino c 0 : Linearkombination aus Bino, Wino & Higgsinos c c 0 1 c 1 B 0 c 2 W 0 Gaugino-Anteil c 3 H c 0 0 u 4 H d Higgsino-Anteil - Parameter c i sind sehr stark modellabhängig: MSSM: Erwartung c 1» c 2, c 3, c 4 (LSP = Bino) NLSP ist das Wino, Higgsinos sind i.a. sehr schwer NUHM: c 3,4 dominant (Higgsino) leichtestes supersymmetrisches Neutralino c 0 ist als LSP ein 1 idealer WIMP-Kandidat für CDM (aber Massen m ½ < 1.5 TeV erforderlich!) Eigenschaften: neutral, nur schwach wechselwirkend, Fermion mit s = ½ kosmologisch stabil (da R p -Erhaltung), Majorana-artig: Neutralino ist sein eigenes Antiteilchen schwer (TeV-Skala), daher nicht-relativistisch bei T fr G. Drexlin VL11

29 Supersymmetrie auf dem Teststand Geprüfte SUSY Richard P. Feynman G. Drexlin VL11

30 LHC Supersymmetrie auf dem Teststand Annihilation von Neutralinos in CDM-Halos Kap. 3.4 indirekt c 0 c 0 Erzeugung von Neutralinos an pp-collider f - f Kap. 3.3 Streuung von Neutralinos in Detektor direkt Kap G. Drexlin VL11

31 3.3 Neutralinosuche am LHC p-p Kollisionen bei s = 7-13 TeV Schwerpunktsenergie Datennahme seit Frühjahr 2010 Ziele: - Nachweis des Higgs-Bosons - Suche nach SUSY 4 Experimente : CMS, ATLAS, ALICE, LHCb LHC SPS G. Drexlin VL11

32 LHC: Higgs-Signal bei Run-I p-p Kollisionen bei s = 7 TeV (5.1 fb -1 ) + 8 TeV (19.7 fb -1 ) - SM-Higgs-Boson mit Masse M H = (124.7 ± 0.3) GeV - M H 125 GeV erfordert starkes fine-tuning für SUSY! G. Drexlin VL11

33 LHC Protonwechselwirkungen p-p Kollisionen bei s = 13 TeV Schwerpunktsenergie Datennahme 2015 LHC Run-II bei E p = 6.5 TeV - SM-Higgs-Boson Suche nach Signaturen mit Masse von SUSY: M H 125 Neutralinos GeV c 0 c TeV 6.5 TeV p p Kollisionspunkt G. Drexlin VL11 Neutralino-Signatur am LHC: - fehlende Energie - fehlender Transversalimpuls - geladene Leptonen aus Neutralino-Zerfällen

34 3-Körper Zerfälle von Neutralinos Zerfall des zweitleichtesten Neutralinos c0 2 (NLSP) in das stabile leichteste Neutralino c 1 (LSP): c 2 c 1 + l ± + l b ± c 0 2 b b l ± l ± c 0 1 l ± h 0 : leichtes skalares Higgs H 0 : schweres skalares Higgs A : pseudoskalares Higgs G. Drexlin VL11

35 LHC Run 13 TeV keine SUSY LHC mit höherem s = 13 TeV (6-monatiger Run 6-11/2015) - Luminosität 2015: 4 fb -1 - hohe Sensitivität auf SUSY- Gluinos (Limit m > 1.5 TeV) - Squarks (Limit m > 0.85 TeV) - Limit auf Z (m > 3 TeV) 2-Photon-Resonanz bei m = 750 GeV?? G. Drexlin VL11

36 Neutralino-Masse m(c 0 ) [TeV] LHC Run II kein SUSY Signal bisher Aktuelle SUSY Limits und cmssm-analysen: - s = 13 TeV : keine Evidenz für SUSY Teilchen (ATLAS + CMS) - LHC-Limits: Gauginomasse m ½ > 0.5 TeV, Gluino-Masse > 1.6 TeV SUSY-Suche über Gluinos G. Drexlin VL Gluino-Masse m(g) [TeV]

37 LHC Run II kein SUSY Signal bisher Aktuelle SUSY Limits und cmssm-analysen: - s = 13 TeV : keine Evidenz für SUSY Teilchen (ATLAS + CMS) - LHC-Limits: Gauginomasse m ½ > 0.5 TeV, Gluino-Masse > 1.6 TeV G. Drexlin VL11