Neue Physik am LHC. Die Erwartungen und Hoffnungen der theoretischen Physik, und was das alles mit Urknall und Schwarzen Löchern zu tun haben kann

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1 Neue Physik am LHC Die Erwartungen und Hoffnungen der theoretischen Physik, und was das alles mit Urknall und Schwarzen Löchern zu tun haben kann Anton REBHAN Institut für Theoretische Physik

2 Ziele des LHC 1. Suche nach neuen Elementarteilchen, die so hohe Masse haben, dass sie das erste Mal (seit dem Urknall) am LHC produziert werden können

3 Ziele des LHC 1. Suche nach neuen Elementarteilchen, die so hohe Masse haben, dass sie das erste Mal (seit dem Urknall) am LHC produziert werden können 2. Schwerionenprogramm (ab 2.Jahr): Produktion des (bereits nachgewiesenen) Quark-Gluon-Plasma, der Ursuppe des Urknall

4 Standardmodell der Teilchenphysik Alle bekannten Elementarteilchen (hunderte!) aus diesen aufgebaut Nur Higgs-Teilchen noch unentdeckt

5 Warum 3 Generationen von Quarks und Leptonen? Nobelpreisträger I. Rabi nach der Entdeckung des Muons (2. Generation): Who ordered that?

6 Warum 3 Generationen von Quarks und Leptonen? Kobayashi & Maskawa 1973: CP-Verletzung braucht 3. Generation von Quarks und Leptonen! Sacharow: Ohne CP-Verletzung bleibt nach dem Urknall keine Materie übrig! Kleiner Überschuss (1:10 Milliarden) von Materie gegenüber Antimaterie im frühen Universum gibt alle jetzige Materie!

7 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

8 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Heutige (sichtbare) Ausdehnung (Hubble-Radius): ungefähr gleich viel Lichtjahre Hubble-Ultra-Deep-Field Aufnahme mit etwa Galaxien (6 6 Bogenminuten im Sternbild Fornax) Die rötesten (z = 12) sind an die 13 Milliarden Lichtjahre entfernt!

9 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K

10 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K Jetzt noch direkt sichtbar als kosmischer 2.7 K Mikrowellenhintergrund! WMAP-Satellitenbilder des kosmischen Mikrowellenhintergrund mit Temperaturfluktuationen 20µK

11 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall: Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

12 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall: Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

13 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall: Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen Übereinstimmung von beobachteten leichten Elementen und kosmologischen Parametern braucht Dark Matter

14 Standardmodell der Kosmologie Das Universum expandiert seit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren Jahre nach dem Urknall war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen und Protonen mit T 3000 K Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall: Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen Übereinstimmung von beobachteten leichten Elementen und kosmologischen Parametern braucht Dark Matter = Teilchen jenseits des Standardmodells (SUSY?) Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnliche Materie = 5:1

15 Weitere Motivation für SUSY: Grand Unification Stärken der 3 Fundamentalkräfte streben bei höheren Energien verdächtig aufeinander zu, treffen sich fast bei etwa facher LHC-Energie LEP LHC Gemeinsame Ursache für 3 Fundamentalkräfte: SU(5)? Proton lebt nur mehr Jahre experimentell widerlegt: > Jahre

16 Weitere Motivation für SUSY: Grand Unification Stärken der 3 Fundamentalkräfte streben bei höheren Energien verdächtig aufeinander zu, treffen sich fast bei etwa facher LHC-Energie Gemeinsame Ursache für 3 Fundamentalkräfte: SU(5)? Proton lebt nur mehr Jahre experimentell widerlegt: > Jahre LEP LHC Supersymmetrie: verändert die Energieabhängigkeit der Wechselwirkungsstärken und gibt ziemlich präsise Vereinheitlichung bei etwas höheren Energien SU(5) Protonlebensdauer Jahre!

17 10 Dimensionen Seit 1983 intensiv studierte spekulative Theorie: Superstringtheorie: bei mal der Energie für die SUSY-Grand Unification (selbst mal LHC-Energie) Vereinigung mit der Quantengravitation durch Superstrings in 6 zusätzlichen Raumdimensionen 6 Extra-Dimensionen so eng aufgerollt, dass man sie bis zu diesen Energieskalen nicht direkt beobachten kann normale Superstringtheorie sagt (leider) keine mikroskopischen schwarzen Löcher am LHC vorher

18 10 Dimensionen mit mikroskopischen schwarzen Löchern Brane-World scenario: Wenn Gravitation in 10 Dimensionen existiert und wenn Extra-Dimensionen nicht so eng aufgerollt sind, und wenn alle andere Materie davon unabhängig in 4 Dimensionen gefangen ist (brane world) könnte die Quantengravitation stark genug sein, und bereits am LHC eine Rolle spielen, und (extrem kurzlebige) Mikro-Schwarze Löcher liefern (Hawking-Strahlung) Wunschtraum jedes Theoretikers: Der Heilige Gral Quantengravitation am LHC studierbar! Konsequenz für Teilchendetektoren: ungewöhnlich kugelsymmetrische Zerfallsprodukte

19 Gefahr durch mikroskopische Schwarze Löcher? Falls die Theoretiker mit diesen Spekulationen unverschämt Glück haben, und es mikroskopische Schwarze Löcher, die am LHC erzeugt werden könnten, geben sollte, aber diese entgegen aller Theorie nicht sofort wieder zerfallen? Könnten die nicht wachsen und uns gefährlich werden?

20 Entwarnung Anzahl an LHC-Experimenten, die die Natur an Erde und anderen Himmelskörpern in der Vergangenheit schon ausgeführt hat: Kosmische Strahlung bombardiert Erde und andere Himmelskörper mit viel höheren Energien mindestens 10 Millionen LHC-Äquivalente über die Erdgeschichte Weiße Zwerge und Neutronensterne würden auch hypothetische neutrale und stabile mikroskopische schwarze Löcher einfangen s. M.E.Peskin,

21 Die erste Sekunde des Urknalls: < 1 Sekunde nach dem Urknall: T > K (= 500 T ) zu heiß für Atomkerne: Plasma aus Photonen, Neutrinos, Elektronen, Positronen (mit kleiner Verunreinigung von Nukleonen)

22 Die erste Sekunde des Urknalls: < 1 Sekunde nach dem Urknall: T > K (= 500 T ) zu heiß für Atomkerne: Plasma aus Photonen, Neutrinos, Elektronen, Positronen (mit kleiner Verunreinigung von Nukleonen) < 10 µsec nach dem Urknall: T > K (= T ) Photon-Lepton-Plasma + Quark-Gluon-Plasma (Nukleonen aufgelöst im Quark-Gluon-Plasma)

23 Quark-Gluon-Plasma Confinement Quarks sind immer zu dritt oder zweit aneinander gebunden Je näher man zum Anfang des Urknalls kommt, umso dichter wird die Materie

24 Quark-Gluon-Plasma Confinement Quarks sind immer zu dritt oder zweit aneinander gebunden Je näher man zum Anfang des Urknalls kommt, umso dichter wird die Materie... bis die Dichte so hoch ist, dass die Quarks nicht mehr wissen, an wen sie genau gebunden sind (Asymptotische Freiheit; Deconfinement)

25 Experimentelle Überprüfung? Möglichst viel Hadronen bei möglichst hohen Energien komprimieren: Schwerionenkollisionen im Teilchenbeschleuniger!

26 RHIC Ultra-Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven National Lab, Long Island (NY), seit 2000

27 RHIC Ultra-Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven National Lab, Long Island (NY), seit Experimente: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR Au+Au-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie 200 GeV/A

28 Little Bang Gold-Ionen kollidieren bei 200 GeV/A (Lorentz-kontrahiert mit γ > 100) Quark-Gluon-Plasma während ein paar fm/c sec

29 Little Bang Gold-Ionen kollidieren bei 200 GeV/A (Lorentz-kontrahiert mit γ > 100) Quark-Gluon-Plasma während ein paar fm/c sec, danach Hadronisierung Tausende Teilchenspuren im STAR-Detektor nur indirekte Information über Quark-Gluon-Plasma!

30 LHC/LIC Large Hadron Collider CERN, Genf, Schweiz CMS ATLAS

31 LHC/LIC Large Hadron Collider CERN, Genf, Schweiz CMS ALICE ATLAS ab Ende 2009: Large Ion Collider (Pb+Pb mit 5.5 TeV/Nukleonpaar)

32 ALICE A Large Ion Collider Experiment (zusätzlich zu CMS und ATLAS)

33 ALICE A Large Ion Collider Experiment (zusätzlich zu CMS und ATLAS) erwartet: viel höhere Anfangstemperatur 10x längere Lebenszeiten des QGP dafür 20x so viele Teilchen zu analysieren...!