Kosmologie. Astroteilchenphysik Astronomie. Teilchenphysik. Elementarteilchen. Urknall. Dunkle Materie= Supersymmetrischer Partner der CMB?

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1 Dunkle Materie= Supersymmetrischer Partner der CMB? Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen s s Urknall Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

2 Supersymmetry Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen GeV! Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

3 SUSY Dark Matter Neutralino = SUSY candidate for the cold Dark Matter Neutralino = the Lightest Superparticle (LSP) = WIMP χ = N % γ + N z% + N H + N H photino zino higgsino higgsino exp M χ 40 GeV theor M χ = GeV 3( B L) + 2S R = ( 1) R =+ 1, R = 1 p p Superparticles are created in pairs The lightest superparticle is stable Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

4 Fundamentale Fragen der Teilchenphysik Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

5 Große vereinigte Theorien (GUT) GUT = Grand Unified Theory Grundidee der großen Vereinigung Die Symmetriegruppen des Standardmodells, SU(3), SU(2) und U(1), sind Untergruppen einer größeren Symmetriegruppe G. Quarks und Leptonen gehören zu denselben Multiplets von G. Die höhere Symmetrie G ist jenseits einer sehr hohen Massenschranke M G gültig. In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung α G. Für Energien unterhalb von M X c 2 ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen-gleichung der entsprechenden Untergruppe. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

6 SU(5) als einfachstes Beispiel einer GUT SU(5) SU(3) Farbe SU(2) L U(1) Y SU(5) ist die einfachste Symmetriegruppe (Rang 4), in die sich die SM Symmetriegruppen einbetten lassen. vector antisymmetrischer Tensor Quarks und Leptonen im gleichen Multiplet Übergänge zwischen den Teilchen eines Multiplets es gibt Baryon- und Leptonzahl verletzende Übergänge Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

7 Eichbosonen in der SU(5) Fundamentale Darstellung: 5 und 5* Anzahl der Generatoren = Vektorteilchen Die SU(5) beinhaltet die bekannten Eichbosonen: Gluonen, W ±, Z 0, γ. es treten 12 neue intermediäre Teilchen auf: X, Y vermitteln die Umwandlung von Leptonen in Quarks und umgekehrt. X- und Y-Teilchen tragen schwache Ladung (I W = 1), elektrische Ladung (q=±1/3 und q=±4/3) und zwei Farbladungen. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

8 Vereinigung der Kräfte 1 α ( M ) = ± Z 2 sin θ = ± MS α ( M ) = ± s Z Input SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen. Die Kopplungskonstanten werden gleich groß. SM SUSY M M α SUSY GUT -1 GUT Output = = 3.4± 0.9± GeV 15.8± 0.3± GeV = 26.3± 1.9 ± 1.0 Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991) Skalenverhalten: 1/α i logq 2 beruht auf radiativen Korrekturen Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

9 Running Coupling Constants Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

10 Running of Strong Coupling Constant Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

11 Vakuumenergie abstoßende Gravitation Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent! Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

12 Possible Evolution of the Universe Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

13 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

14 Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

15 Proton decay expected in GUT s Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

16 R-Parität Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

17 R-Paritätserhaltung verhindert Protonzerfall R-Parität verlangt dass am jeden Vertex ZWEI SUSÝ Teilchen vorkommen! Daher ist obenstehendes Diagramm verboten. Spin ½ Quark Austausch verboten durch Drehimpulserhaltung. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

18 Some production diagrams Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

19 R-Parität bedeutet LSP ist perfekter Kandidat der DM DM kann nur durch elastische Streuung mit normaler Materie wechselwirken (R=-1 im Anfangs- und Endzustand) DM kann annihilieren mit sich selbst-> Reduzierung der Dicht im Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wenn Annihilationsrate gleicher Größenordnung wie Expansionsrate Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

20 Thermische Geschichte der WIMPS Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 Thermal equilibrium abundance Actual abundance Comoving number density T=M/22 x=m/t T>>M: f+f->m+m; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate Expansionsrate, i.e. Γ=<σv>nχ(x fr ) H(x fr )!) WMAP -> Ωh 2 =0.113± > <σv>= cm 3 /s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 10 5 <ρ>. DMA ( ρ 2 ) fängt wieder an. Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> π0 s -> Gammas! Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

21 Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY χ χ ~ f f f χ χ A f f χ χ Z f f χ χ χ W χ ± χ 0 W χ Z Z Egret: WIMP GeV WMAP: <σv>= cm 3 /s Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV) Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

22 Indirekte Suche nach Dunkler Materie Annihilationsprodukte Dunkler Materie: Gamma rays (EGRET, FERMI) Positronen (PAMELA) Antiprotonen (PAMELA) e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA) Neutrinos (Icecube, no results yet) e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

23 G.F cm 2 sr Exposure > 3 yrs dp/p 2 ~ TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

24 AMS to be launched in 2010 AMS Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

25 AMS on ISS Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

26 The AMS superconducting Magnet at CERN (2008) He Tank Coils Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

27 Magnet inside vacuum tank Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

28 Current Status (May 2009) The magnet is at 1.7 K The system is fully leaktight to superfluid helium The magnet is being commissioned and other detector components will be integrated in Flight to ISS Note: all components have been integrated in2008 in spare vacuum vessel and have been thoroughly tested. They worked as expected. Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

29 Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

30 Model of AMS-02 on ISS Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

31 Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

32 Example of SUSY production and decay chain Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

33 Prinzip eines Teilchendetektors Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

34 Transverse slice through CMS detector Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

35 CMS Collaboration Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

36 The Tracker Pixel endcap disks 214m 2 of silicon sensors 11.4 million silicon strips 65.9 million pixels in final configuration! Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,

37 Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet: Vereinheitlichung aller Kräfte mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM. Mögliche Signale der Supersymmetrie: (bisher noch nicht gefunden!) Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHC Indirekter Nachweis der Annihilation der DM (mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY) Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung (mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY) Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli,