SUSY - TEILCHEN. als Dunkle Materie. Theorie und Nachweis. Hauptseminar über Dunkle Materie Hilmar Schachenmayr

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1 SUSY - TEILCHEN als Dunkle Materie Theorie und Nachweis Hauptseminar über Dunkle Materie Hilmar Schachenmayr

2 1) Einleitung Inhalt 2) Supersymmetrie a) Was ist Supersymmetrie? b) Aussagen der SUSY-Theorie 3) Nachweis der SUSY a) Möglichkeiten des Nachweises b) Bisherige Suche c) Künftige Suche 4) Fazit

3 1) Einleitung Probleme des Standardmodells:? Brechung der elektroschwachen Symmetrie (Higgs-Mechanismus mit vev?0) nicht erklärbar. Erlaubt Teilchen Masse, dabei Natürlichkeits-, bzw. Hierarchieproblem? Mindestens 1 Neutrino hat Masse im SM nicht möglich? Keine Theorie über das Vorhandensein von Cold Dark Matter? Verhältnis Materie Antimaterie

4 Weitere ungeklärte Fragen:? Ist eine Vereinheitlichung der Naturkräfte möglich?? Ist eine Quantentheorie der Gravitation möglich?? Keine Theorie über das Vorhandensein von Cold Dark Matter? Ungleiches Verhältnis von Materie Antimaterie (CP-Verletzung)

5 2) Supersymmetrie a) Was ist Supersymmetrie?? formulierte mathematische Theorie: Lösung auf der Suche nach einem Problem? Idee: Grundgesetze der Natur invariant beim Austausch von Fermionen und Bosonen? Jedes Teilchen hat einen Superpartner,, der sich bei ungebrochener Symmetrie (Planck-Skala) nur durch Fermion «Boson unterscheidet

6 ? Benennung / Schreibweise:? Superpartner von Fermionen: s -? Superpartner von Bosonen: - ino? Allgemein: x? x?

7 ? Beschreibung Raumzeit durch Poincaré-Algebra Algebra, wird für SUSY um Operator Q mit Spin ½ erweitert: Q (Fermion)> = Boson> > durch Fermion «Boson unterscheidet? Globale SUSY: Immer mit Eichsymmetrien vertauschbar? Lokale SUSY: : Bezieht Gravitation mit ein? SUGRA? Beschreibung der SUSY-Teilchen im Superraum? Baryonen- und Leptonenzahl verletzende Prozesse sind bisher nicht beobachtet worden (Protonenzerfall) Wäre in SUSY möglich, daher R-Parität eingeführt. P R = (-1)( 3(B-L) + 2S erhalten? Leichtestes SUSY-Teilchen (LSP)) ist stabil? Alle schwereren Superpartner zerfallen zu ungerader Anzahl LSP (meistens 1)

8 ? Brechung der Symmetrie: Bisher kein S-Teilchen S beobachtet Symmetrie muß gebrochen sein, Massen der Superpartner durch veränderten vev deutlich höher als bei den SM- Teilchen? Soft SUSY Breaking: : Theorie weiter renormierbar, brechender Term hat weniger als 4 Felddimensionen? Weitere 106 Parameter: : 21 Massen, 41 Mischungswinkel, 43 CP verletzende Phasen, 1 vev für r 2. Higgs-Dublett? können durch weitere Annahmen etwas reduziert werden? Ursache der Brechung: : Theorien der Gravity mediated SUSY Breaking MSUGRA und Gauge mediated SUSY Breaking GMSB? MSSM: : Minimale SUSY-Erweiterung des SM, enthält kleinste Anzahl neuer Teilchen und Wechselwirkungen (Eichwechselwirkungen und Yukawa-Kopplungen Kopplungen)

9 b) Aussagen der SUSY-Theorie Theorie:? Vereinheitlichung der Kräfte:? Studie LEP: Kräfte können k mit SUSY unterhalb Planck-Skala vereinheitlicht werden? Masse der S-TeilchenS kleiner als das 10-fache der W- W / Z-Bosonen, ws. im Bereich < TeV? Physik wird auf einer Skala >10 16 GeV einfacher

10 ? Higgs-Mechanismus Mechanismus:? Higgs-Feld Feld: Skalares Feld,, SM hat außer Higgs-Feld keine Skalare? (Vereinigte) SUSY-Theorien haben automatisch Skalare (mit den Eigenschaften des Higgs-Feldes Feldes)? Stärken der Kopplungen und Teilchenmassen verändern sich bei verschiedenen Abständen / Energieskalen: Berechenbar über Lagrange,, je nach Parameterwahl stellt sich der geforderte Higgs-vev bei TeV ein.? In vielen Modellen beträgt die Masse des leichtesten Higgs ca GeV? Protonenzerfall: In vielen vereinheitlichenden Theorien zerfällt das Proton. SUSY: t P»10 35 a,, Experiment: t P >10 32 a

11 ? Verhältnis Materie - Antimaterie: Alle Modelle zur Erklärung dieser CP-Verletzung benötigen SUSY als Grundlage. SUSY erklärt alle CP-Verletzungen Verletzungen.? Cold Dark Matter: Alle beim Urknall entstandenen S-Teilchen S zu stabilen LSPs zerfallen (falls R-Parität erhalten). LSP ws.. nur schwach wechselwirkend,, sonst bereits mit normaler Materie in gebundenen Zuständen vorgefunden Alte LSPs gute Kandidaten für CDM. Für LSP in Frage kommende Teilchen (Neutralinos( Neutralinos):? Photino? Higgsino

12 3) Nachweis der SUSY a) Möglichkeiten des Nachweises? Suche nach alten LSPs:? LSPs im All gleichmäß äßig verteilt. Wenn während w Bewegung durch Galaxis ein LSP auf einen Kern in einem Detektor auf der Erde trifft, legt es ca kev dort ab.? Zerfallsprodukte bei LSP-Vernichtung Vernichtung: : Detektoren in Ballons oder im Weltraum suchen nach einem Überschuss an Positronen oder Antiprotonen? LSP schwer und nur schwach wechselwirkend: Ansammlung im Zentrum der Sonne und der Erde.. Bei der Vernichtung eines LSPs können Müon Neutrinos entstehen, die zu Müonen reagieren. Nachweis in großen unterirdischen Detektoren.

13 ? Nachweis in Collidern: Entstehen S-Teilchen S in Collidern,, zerfallen sie zu stabilen LSPs.. Diese entkommen,, da nur schwach wechselwirkend,, den Detektoren. Nachweis durch? Messen eines fehlenden Transversalimpulses / fehlender Energie? Unterschiedliche Ereignistopologie (Winkelverteilung) als bei SM-Prozessen

14 b) Bisherige Suche? Die meisten Ergebnisse von? FermiLab TeVatron (Fermi National Acceleration Laboratory) westl.. von Chicago, USA? LEP des CERN in Genf, Schweiz. Wurde am abgeschaltet, um Platz für f r den LHC zu machen.? Kein Nachweis von SUSY oder des Higgs-Bosons Bosons, aber signifikante Ausschlussgrenzen.? Grenzen hängen von der Parameterwahl des SUSY-Modells ab.

15 ? LEP

16 ? TeVatron

17 c) Künftige Suche? Große Erwartungen an? TESLA (Tera Electron Volt Energy Superconducting Linear Accelerator) supraleitender e + e - - Linearbeschleuniger bei Hamburg, ws.. ab etwa 2009 in Betrieb? LHC (Large Hadron Collider) des CERN in Genf, Schweiz, im Bau, Betrieb ab ca. 2007? Masse des Higgs-Teilchens ziemlich sicher unter 300 GeV.. Damit im Bereich der Beschleuniger.? Während im LHC S-Teilchen direkt erzeugt werden könnten, würde TESLA die SUSY- Parameter bestimmen

18 ? LHC

19 ? LHC: Produktionsraten

20 3) Fazit Bei Planck-Skala andere Physik als bei Collider-Skala Skala.. Falls SUSY richtig: Physik auf der Planckebene wird zugänglich (String- / M-Theorie). M Bisher keine Bestätigung von SUSY Kommende Experimente werden zeigen, ob Natur supersymmetrisch, und wie weit das LSP dann zur CDM beiträgt.

21 Quellen Katharina Müller, Einführung Supersymmetrie; Universität Zürich, 2002 Gordon L. Kane, Supersymmetry: what? why? when?; Contemporary Physics,, 2000, Volume 41, Nummer 6, S. Bethke,, J. Schieck, Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern,, TUM WS02/03, 2002, V9: LHC und TESLA S. Bethke,, S. Kluth, Teilchenphysik an hochenergetischen Beschleunigern,, TUM SS01, 2001, Vorlesung 11 www-zeuthen.desy.de