Virialsatz. Fritz Zwicky. Vera Rubin. v 2 = GM r. Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 1
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- Sylvia Thomas
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1 Fritz Zwicky Virialsatz Vera Rubin v 2 = GM r v 1 r Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 1
2 Suche nach Dunkler Materie am LHC Dr. Carsten Hensel Physikalisches Institut, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg 16. Juni 2012 Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 2
3 Dunkle Materie Supersymmetrie Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC Zusammenfassung Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 3
4 Dunkle Materie Evidenz für Dunkle Materie Erklärungsansätze für Dunkle Materie Supersymmetrie Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC Zusammenfassung Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 4
5 Evidenz für Dunkle Materie Dunkle Materie Rotationskurven Gravitationslinsen Bullet Cluster Cosmic Microwave Background Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 5
6 Gravitationslinsen Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 6
7 Einsteinringe Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 7
8 Berechnung der Masse Dunkle Materie Öffnungswinkel Θ: 4GM LO Θ = c 2 EO EL Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 8
9 Evidenz für Dunkle Materie Dunkle Materie Rotationskurven Gravitationslinsen Bullet Cluster Cosmic Microwave Background Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 9
10 Bullet Cluster Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 10
11 Evidenz für Dunkle Materie Dunkle Materie Rotationskurven Gravitationslinsen Bullet Cluster Cosmic Microwave Background Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 11
12 Zeitachse des Universums Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 12
13 Kosmische Hintergrundstrahlung Dunkle Materie WMAP durchschnittliche Temperatur K (grün) Temperaturschwankungen: ± K Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 13
14 Leistungsspektrum der Temperaturschwankungen Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 14
15 Energiebilanz des Universums Dunkle Materie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 15
16 Evidenz für Dunkle Materie Dunkle Materie Rotationskurven Gravitationslinsen Bullet Cluster Cosmic Microwave Background Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 16
17 Erklärungsansätze für Dunkle Materie Dunkle Materie MOND (Modifizierte Newtonsche Dynamik) erkläre Rotationsverhalten von Galaxien durch modifizierte Newton Dynamik F = ma F = mµ(a/a 0 )a mit µ(x) = 1 für x 1 µ(x) = x für x 1 erklärt nicht Separation von Baryonischer Materie und Dunkler Materie im Bullet Cluster Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 17
18 Erklärungsansätze für Dunkle Materie II Dunkle Materie MACHOs (MAssive Compact Halo Object) "kleine" Ansammlungen baryonischer Materie Planeten, Neutronensterne, Braune Zwerge, schwache Rote Zwerge, kleine schwarze Löcher Vermessung über Mikro-Gravitationslinsen MACHOs ausgeschlossen als Dunkle Materie für Objekte mit Massen zwischen 10 8 M und 100M (M 1, kg) Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 18
19 Rekapitulation Dunkle Materie Dunkle Materie reflektiert oder emitiert keine elektromagnetische Strahlung. Struktur des Universums nicht-relativistische Dunkle Materie bevorzugt (Cold Dark Matter/CDM) Primordiale Nukleosynthese (Big Bang nucleosynthesis/bbn) schließt baryonische Dunkle Materie aus. Inhalt des Universums: 5% normale Materie 23% Dunkle Materie 72% Dunkle Energie Natur der Dunklen Materie: unbekannt Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 19
20 Dunkle Materie Supersymmetrie Das Standard Modell der Teilchenphysik Status des Standard Modells Supersymmetrie Eine Einführung Bausatz des MSSM MSSM Phänomenologie Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC Zusammenfassung Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 20
21 Das Reduktionsprinzip Supersymmetrie Vielzahl von organischen und anorganischen Verbindungen kann auf einige wenige Bauteile zurückgeführt werden Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 21
22 Die Bausteine der Materie Supersymmetrie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 22
23 Fundamentale Wechselwirkung Supersymmetrie Elektromagnetische WW Starke WW Schwache WW Gravitation Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 23
24 Das Standard Modell der Teilchenphysik Supersymmetrie Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 24
25 Die Natur der Dunklen Materie Supersymmetrie Könnte eines unserer Standard Modell Teilchen als Dunkle Materie indentifiziert werden? Die Teilchen des SM Eigenschaften der Dunklen Materie stabil nicht-baryonisch nicht-relativistisch nur schwach wechselwirkend Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 25
26 Das Standard Modell der Teilchenphysik Supersymmetrie Erfolge Probleme 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] ± Präzision bis zu 10 9 (g 2 electron) Vereinigung Eichkopplungen unwahrscheinlich Higgs (Masse) 2 quadratisch divergent erfordert fine-tuning (Hierarchie Problem) α α 1 SM α α Log 10 (Q/1 GeV) Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 26
27 Einführung in Supersymmetrie Supersymmetrie Grundsätzliche Idee der Supersymmetrie: Grundgesetze der Natur sind invariant beim Austausch von Fermionen und Bosonen! Supersymmetrie ist eine Symmetrie, die Fermionen und Bosonen miteinander verknüpft: Q fermion = boson Q boson = fermion Jedes Teilchen hat einen Superpartner, der sich bei ungebrochener Symmetrie nur im Spin unterscheidet. Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 27
28 Die Minimal Supersymmetrische Erweiterung des Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie Der MSSM Teilcheninhalt MSSM Eigenschaften Vereinigung der Eichkopplungen α α 1 1 SM Kandidat für Dunkle Materie leichtestes SUSY Teilchen (LSP) neutralino ( χ 0 1 ) = photino zino higgsino stabil nicht-baryonisch nicht-relativistisch nur schwach ww α 2 1 α 3 1 MSSM Log 10 (Q/1 GeV) Vereinigung der Eichkopplungen kein Hierarchieproblem Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 28
29 Die Minimal Supersymmetrische Erweiterung des Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie Der MSSM Teilcheninhalt MSSM Eigenschaften Vereinigung der Eichkopplungen α α 1 1 SM Kandidat für Dunkle Materie leichtestes SUSY Teilchen (LSP) neutralino ( χ 0 1 ) = photino zino higgsino stabil nicht-baryonisch nicht-relativistisch nur schwach ww α 2 1 α 3 1 MSSM Log 10 (Q/1 GeV) Vereinigung der Eichkopplungen kein Hierarchieproblem Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 29
30 SUSY-Brechung Supersymmetrie Bisher keine SUSY-Teilchen entdeckt. SUSY-Teilchen sind schwerer als ihre SM Partnerteilchen. SUSY muss eine gebrochene Symmetrie sein. Beschreibung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuen Parametern Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 30
31 SUSY-Brechungsszenarien Supersymmetrie msugra (minimal Supergravity) Gravitation vermittlet zwischen Hidden-Sektor und MSSM Vereinigung der Gaugino-Massen an der GUT-Skala Vereinigung der Yukawa-Kopplungen an der GUT-Skala Vereinigung der Sfermion-Massen Modell-Parameter: m 0 gemeinsame Masse der Skalare m1 2 gemeinsame Gaugino/Higgsino Masse A 0 trilineare Higgs-Sfermion-Sfermion-Kopplung tanβ Verhältnis der Higgs vev Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 31
32 Rekapitulation Supersymmetrie Supersymmetie Erweiterungen des SM Fundamentaler als das SM "Lösung" vieler SM-Probleme einfachste Erweiterung: MSSM Supersymmetrie keine exakte Symmetrie Parametrisierung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuen Parametern Einschränkung des Parameterraums durch zusätzliche Annahmen: msugra GMSB AMSB Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 32
33 Dunkle Materie Supersymmetrie Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Das ATLAS-Experiment Messungen am LHC Suche nach Dunkler Materie am LHC Zusammenfassung Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 33
34 Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Suche nach Supersymmetrischen Teilchen LSP gleichmäßig im All verteilt. Können auf Detektoren auf der Erde treffen. Energieverlust bei Wechselwirkung mit Atomkern kev Suche nach Zerfallsprodukten der LSP-Vernichtung (Überschuss an Positronen) Produktion und Nachweis an Collider-Experimenten. Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 34
35 Der Urknall im Labor Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 35
36 CERN Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Europäisches Labor für Teilchenphysik gegründet Mitgliedsstaaten mehr all 9000 Wissenschaftler aus über 100 Nationen Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 36
37 Der Large Hadron Collider (LHC) I Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 37
38 Der Large Hadron Collider (LHC) II Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 38
39 Der Large Hadron Collider (LHC) III Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Proton-Proton-Beschleuniger 27 km lang, 100 m tief Schwerpunktsenergie: s = 14 TeV 4 Experimente (Detektoren): ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 39
40 Das ATLAS-Experiment Suche nach Supersymmetrischen Teilchen Durchmesser/Länge: 24 m/ 46 m Gewicht: 7000 t Kollaboration: 35 Länder 165 Institute 1900 Mitarbeiter Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 40
41 Suche nach Supersymmetrie Suche nach Supersymetrischen Teilchen SUSY Zerfallskette SUSY Signatur LSP fehlende Energie, MET (smoking gun) high-p T Jets high-p T Leptonen Suche nach Überschuss Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 41
42 Messung der LSP-Masse Suche nach Supersymetrischen Teilchen SUSY Zerfallskette Berechne Invariante Masse m l1 l 2 =m max l 1 l 2 1/2(1 cosθl1 l 2 ) max. für l 1l 2 back-to-back im l R -Ruhesystem LSP Bestimme Endpunkt des Spektrums: m max l 1 l = (m 2 χ 2 0 m 2 l )(m 2 l m 2 χ 2 0 )/m 2 l R R 1 R SUSY Signatur fehlende Energie, (smoking gun) E miss T high-p T Jets high-p T Leptonen Invariante Masse m ll (GeV) Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 42
43 Suche nach Dunkler Materie Suche nach Supersymetrischen Teilchen LSP Dunkle Materie? LSP-Masse alleine genügt nicht Bestimmung der "Relic-Density" nötig Wie sehen die SUSY-Parameter aus? zwei Ansätze Messung aller Kopplungen + Modellunabhägig - am LHC: schwierig vermesse Massenspektrum + einfacher - Modellabhängig Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 43
44 Definition: Das Inverse Problem Suche nach Supersymetrischen Teilchen Best Case Das Problem Worst Case Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 44
45 Dunkle Materie Supersymmetrie Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC Zusammenfassung Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 45
46 Inhalt des Universums: 5% "normale" Materie, 25% Dunkle Materie Dunkle Materie-"Problem": seit 75 Jahre bekannt. Supersymmetrische Theorien sagen einen fast natürlichen Kandidaten für Dunkle Materie voraus Sollte SUSY in der Natur realisiert sein, werde wir SUSY am LHC finden. Test der kosmologischen Relevanz von SUSY stellt eine große Herausforderung dar. Die nächsten Jahre werden spannend. Sowohl für die Teilchenphysik, als auch die Kosmologie. Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 46
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