Heute: Gibt es noch mehr Neutrinos?

Transkript

1 Heute: Gibt es noch mehr Neutrinos? Eine Präsentation von Martin Spinrath Seminar: Neutrinos Rätselhafte Bausteine der Materie (SoSe '06) Betreuer: Steffen Kappler 1

2 Inhaltsübersicht: Bisherige experimentelle Befunde Motivation MSSM und Neutrinos GUTs SO(10) seesaw-mechanismus Baryon-Asymmetrie Zusammenfassung 2

3 Bisherige Ergebnisse 3

4 Physik an der Z-Resonanz Man misst die Breite des Z-Peaks: Z = had e N Feynmangraph zur Z-Resonanz 4

5 Bisherige Ergebnisse LEP hat gemessen: LEP-EWWG, hep-ex/ Z had 3 e N = =2,9840±0,0082 Messungen des hadronischen Wirkungsquerschnitts um der Z-Resonanz 5

6 Bisherige Ergebnisse Es gibt also drei Neutrinofamilien??? 6

7 Bisherige Ergebnisse Es gibt also drei leichte (m < 45 GeV) Neutrinofamilien?? 7

8 Bisherige Ergebnisse Es gibt also drei leichte (m < 45 GeV) schwach-wechselwirkende Neutrinofamilien? 8

9 Motivation Gibt es schwere Neutrinos? Gibt es rechtshändige Neutrinos? Sind diese Teilchen Dirac- oder MajoranaTeilchen? Was heißt es für das SM, wenn es mehr Neutrinos gibt? Gibt es weitergehende Vorhersagen, wenn es mehr Neutrinos gibt? Und vor allem: Kann man diese Neutrinos nachweisen? 9

10 Motivation Im folgenden wollen wir dazu zwei theoretische Modelle beleuchten 10

11 Erweiterungen des Standardmodells Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Erweiterung des Standardmodells: Supersymmetrische Modelle -> Erweiterung des Teilchenspektrums GUTs (Grand Unified Theories) -> Erweiterung der Eichgruppe Klein-Kaluza-Theorien Stringtheorien 11

12 Zusätzliche Motivation zur Erweiterung des SM Wieso überhaupt erweitern? 12

13 Zusätzliche Motivation zur Erweiterung des SM Vereinheitlichung des SM mit der Gravitation Vereinigung der Kopplungskonstanten Erklärung dunkler Materie (Energie) Erklärung Materie-AntimaterieAsymmetrie im Universum Vorhersagen bis zu größeren Energieskalen Fine-Tuning Hierarchie-Problem usw. eng.eps 13

14 MSSM Eine sehr beliebte (einfache) Möglichkeit der Erweiterung bietet das Minimal SuperSymmetric Model 13

15 MSSM Konzept Jedem Teilchen wird ein Superteilchen als Partner zugeordnet Die Teilchenzahl wird nicht exakt verdoppelt Bosonen -> Fermionen Fermionen -> Bosonen Mindestens 5 Higgsbosonen Neue Quantenzahl: R-Parität =>Das leichteste SUSY-Teilchen ist stabil! 15

16 MSSM Teilchenspektrum 16

17 MSSM und Neutrinos Totzdem kann man mit dem MSSM etwas über wichtige Parameter der Neutrinophysik aussagen Porod et al., Phys. Rev. D63, Ist die R-Parität nicht erhalten, könnte das leichteste Neutralino im Detektor zerfallen Semileptonische Zerfälle des leichtesten Neutralino 17

18 Hirsch et al., hep-ph/ MSSM im Experiment Verhältnis von Verzweigungsverhältnissen semileptonischer Zerfälle des leichtesten Neutralinos (MC für verschiedene SUSY-Parameter) 18

19 Hirsch et al., hep-ph/ MSSM im Experiment Verhältnis von Verzweigungsverhältnissen semileptonischer Zerfälle des leichtesten Neutralinos für bestimmte SUSY-Parameter (MC für M2 = 120 GeV, µ = 500 GeV, tan = 5, m0 = 500 GeV, A = -500 GeV) 19

20 MSSM Vorteile Treffen der Eichkopplungen Reduziert das Fine-TuningProblem Möglicher Kandidat für Dunkle Materie (wenn R-Parität erhalten) Bestimmung von Parametern der Neutrinophysik möglich (wenn RParität nicht erhalten) Effektive Neutrinomassen auf tree-level 20 eng.eps

21 MSSM Nachteile 120 freie Parameter Keine neuen Eichgruppen -> keine neuen WW Keine neuen/schweren Neutrinos (lediglich Neutralinos) 21

22 GUTs Genauso beliebt, wie das MSSM (bzw. SUSY) sind die sogenannten GUTs, die einen anderen Ansatz verfolgen... 22

23 Eichtheorien Definition (Wikipedia): Unter einer Eichtheorie versteht man eine Feldtheorie, die einer lokalen Eichsymmetrie genügt. 23

24 Eichtheorien Definition (Wikipedia): Unter einer Eichtheorie versteht man eine Feldtheorie, die einer lokalen Eichsymmetrie genügt. Was heißt das? 24

25 Eichtheorien Eine Eichtheorie hat die folgenden Eigenschaften: Die Lagrangedichte ist invariant unter sogenannten Eichtransformationen Diese Transformationen bilden eine Gruppe, die Eichgruppe Zu jeder Eichsymmetrie des SM gehört eine Wechselwirkung 25

26 Eichgruppen des SM Die Eichgruppen des Standardmodell lauten: SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y 26

27 GUTs Konzept Man sucht eine Eichgruppe, die die SM Eichgruppen als Untergruppen enthält Dadurch gibt es neue Austauschteilchen und -wechselwirkungen Die neuen Teilchen sind in der Regel schwer (~1010 GeV) 27

28 Mögliche größere Eichgruppen SO(36) E8xE8 E6 SO(10) SU(5) SU(3)CxSU(2)RxSU(2)LxU(1)Y 28

29 Teilchenschema in der SO(10) Alle Fermionen passen in eine 16 dim. Darstellung Jeder Zustand ist beschreibbar durch fünf binäre Quantenzahlen 29 Die Teilchen in der 16 dim. Darstellung der SO(10) mit ihren Quantenzahlen

30 SO(10)-WW In der SO(10) sind die WW aus dem SM enthalten: Außerdem sind SU(5)-WW enthalten: SU(3) ändert die starken Quantenzahlen SU(2) ändert die schwachen Quantenzahlen Rechtshändige Neutrinos steril bzgl. SM Erhöhen (erniedrigen) Farbindex und erniedrigen (erhöhen) schwachen Index Rechtshändige Neutrinos steril bzgl. SU(5) Außerdem sind reine SO(10)-WW enthalten: Erhöhen oder erniedrigen zwei beliebige Indizes Rechtshändige Neutrinos wechselwirken! 30

31 Eich- und Higgsbosonen in der SO(10) In der SO(10) gibt es 100 Eichbosonen (12 davon SM-Eichbosonen) Die Higgsbosonen sitzen minimal in einer 10-dim. Darstellung SO(10)-Prozess 31

32 Zusammenfassung SO(10)-WW In einer SO(10)-GUT gibt es rechtshändige Neutrinos, die im SM nicht enthalten sind und neue WW bei hohen Energieskalen 32

33 Exkurs: seesaw-mechanismus Der seesaw-mechanismus (SchaukelbrettMechanismus) bietet eine elegante Erklärung für die kleinen Massen der SM-Neutrinos 33

34 seesaw-mechanismus Es gibt zwei Möglichkeiten einen Massenterm in der Lagrangedichte einzuführen 1) Dirac Masse 2) Majorana Masse Also insgesamt: 34

35 seesaw-mechanismus 35

36 seesaw-mechanismus Im Typ I seesaw-mechanismus setzt man: m R md, m L =0 T 1 m md m R m D m N m R Im Typ II seesaw-mechanismus: m R md, m L 0 2 v T 1 m f m D m R m D mn m R vr 36

37 seesaw-mechanismus Folgerungen Er fordert neue Neutrinos Diese Neutrinos sind sehr schwer (sofern SM-Neutrinos leicht) Neutrinos müssen MajoranaTeilchen sein 37

38 seesaw im Experiment Im Allgemeinen konstruiert sich die Massenmatrix der leichten Neutrinos folgendermaßen: m =U MNS m1 0 0 T T 1 0 m 2 0 U MNS m D m R m D 0 0 m3 38

39 Neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall Bestimmung der Neutrinonatur Bestimmung der effektiven Masse 0 i U mi 2 ei Feynmandiagramm zum neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall aus der Halbwertszeit: [T 0 1 1/2 0 ] = M Phasenraum 0 GT g 2 V 2 A 2 0 F M 0 g Kern Matrixelem. 39 eff. Masse

40 S.F. King/Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 118 (2003) seesaw im Experiment 40

41 SO(10) & seesaw Die SO(10) fordert neue Neutrinos, die sich natürlich im seesaw-mechanismus ergeben Die neuen Neutrinos sollten auch am besten schwer sein, was sich ebenfalls direkt mit seesaw ergibt Zusammen bieten sie eine attraktive Erklärung jenseits des Standarmodells für Neutrinomassen 41

42 Baryon-Asymmetrie Ultraschwere Neutrinos bieten eine Erklärung für die Baryon-Asymmetrie im Universum (BAU) 42

43 Sakharov-Bedingungen Die folgenden Bedingungen generieren dynamisch eine BAU nach einem Urknall: Baryonzahlverletzung C- und CP-Verletzung Thermisches Ungleichgewicht 43

44 Entwicklung des Universums Die Schwierigkeit besteht jetzt darin ein konsistentes Modell zu entwickeln, dass die gemessene BAU beschreibt. TEW ~ 100 GeV TQH ~ 200 MeV TNS ~ 1 MeV 44 Cartoon der Entwicklung des Universums Bernreuther, hep-ph/ TGUT ~ 1016 GeV

45 Baryogenese Bei der Baryogenese zerfallen superschwere (~1016 GeV) LeptoquarkEichbosonen in Quarks bzw. Quark und Lepton. Diese Zerfälle kann man baryonzahlverletzend, C- und CP-verletzend konstruieren => Baryon-Asymmetrie 45

46 Leptogenese Bei der Leptogenese zerfallen superschwere Neutrinos (M~1012 GeV): Möglicher Zerfall N i l bzw. N i l Diese Zerfälle sind leptonzahlverletzend Sie können C- und CP-verletzend sein Die Leptonasymmetrie geht dann später in eine Baryonasymmetrie über 46

47 Leptogenese Damit die Leptonasymmetrie nicht wieder ausgewaschen wird, muss m < 10-3 ev sein, was aber kompatibel mit den aktuellen Daten ist. Zerfallsdiagramme der schweren Neutrinos auf a) tree-level und b) mit 1-loop Beitrag 47

48 Zusammenfassung GUTs und seesaw-mechanismus Es gibt GUTs, in denen es neue Neutrinos gibt Mithilfe des seesaw-mechanismus kann man so die enorm kleinen Massen der SMNeutrinos beschreiben Aus dem neutrinolosen doppelten Betazerfall kann man etwas über die Massenmatrizen aussagen Diese Modelle bieten ebenfalls eine mögliche Erklärung für die BAU 48

49 Rekapitulation: Motivation Gibt es schwere Neutrinos? Gibt es rechtshändige Neutrinos? Sind diese Teilchen Dirac- oder MajoranaTeilchen? Was heißt es für das SM, wenn es mehr Neutrinos gibt? Gibt es weitergehende Vorhersagen, wenn es mehr Neutrinos gibt? Kann man diese Neutrinos nachweisen? 49

50 Rekapitulation: Motivation Gibt es schwere Neutrinos? Vielleicht Gibt es rechtshändige Neutrinos? Vielleicht Sind diese Teilchen Dirac- oder MajoranaTeilchen? Wissen wir heute noch nicht Was heißt es für das SM, wenn es mehr Neutrinos gibt? Gibt es weitergehende Vorhersagen, wenn es mehr Neutrinos gibt? Kann man diese Neutrinos nachweisen? 50

51 Rekapitulation: Motivation Gibt es schwere Neutrinos? Vielleicht Gibt es rechtshändige Neutrinos? Vielleicht Sind diese Teilchen Dirac- oder MajoranaTeilchen? Wissen wir heute noch nicht Was heißt es für das SM, wenn es mehr Neutrinos gibt? Erweiterungen sind nicht notwendig, aber möglich Gibt es weitergehende Vorhersagen, wenn es mehr Neutrinos gibt? Indirekt: Ja Kann man diese Neutrinos nachweisen? 51

52 Rekapitulation: Motivation Gibt es schwere Neutrinos? Vielleicht Gibt es rechtshändige Neutrinos? Vielleicht Sind diese Teilchen Dirac- oder MajoranaTeilchen? Wissen wir nicht Was heißt es für das SM, wenn es mehr Neutrinos gibt? Erweiterungen sind nicht notwendig, aber möglich Gibt es weitergehende Vorhersagen, wenn es mehr Neutrinos gibt? Indirekt: Ja Kann man diese Neutrinos nachweisen? In absehbarer Zukunft wohl nicht direkt 52

53 Resumee Momentan haben wir noch zu wenig Informationen, um zu entscheiden, ob eines der Modelle richtig ist Es gibt viele Möglichkeiten das SM zu erweitern, die konsistent mit den bisherigen Experimenten sind Diese Möglichkeiten bieten auch Beschreibungsmöglichkeiten für offene Fragen der Physik, wie z.b. die BAU 53

54 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 54

55 Ein höherdimensionaler Zugang... In den sogenannten Klein-Kaluza-Theorien werden extra Dimensionen postuliert Diese werden kompaktifiziert, d.h. z.b.: x, y = x, y 2 R Jedes Feld hat dann eine KK-Zerlegung, z.b.: 1 x, y = 2 R n x e in y R n=0 In Stringtheorien sind Teilchen Anregungen höherdimensionaler Gebilde (Strings/Branes) 55

56 Extra-Dimensionen Es gibt verschiedene Arten von ExtraDimensionen: Universal: Alle Kräfte spüren diese ExtraDimensionen In the brane: Eichkräfte spüren diese Dimensionen (R < 0,5 pm) Off the brane: Nur die Gravitation spürt sie (R < 1 mm) Diese Extra-Dimensionen verringern die Energieskalen! 56

57 Laufende Kopplungskonstanten Die Kopplungen laufen nicht mehr logarithmisch sondern polynomial K. R. Dienes/Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 91 (2001) Treffen der Kopplungen bei kleinen Energien Treffen mit Gravitationskopplungskonstante! Vereinigung der Kopplungen für ein Modell. ĞN ist nicht maßstabsgetreu 57

58 Extra-Dimensionen und Neutrinos In solchen Theorien kann es masselose Neutrinos geben, die dennoch mischen! 58