Vorlesung 12: Roter Faden: 1. Grand Unified Theories 2. Supersymmetrie 3. Vereinheitlichung aller Kräfte 4. Baryon Asymmetrie 5. Neutralino als Kandidat der DM Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 1
Was ist eine Große Vereinheitlichte Theorie (Grand Unified Theorie, GUT) Was ist Supersymmetrie? Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 2
Motivation of SUSY in Particle Physics 1. Unification with Gravity 2. Unification of gauge couplings 3. Solution of the hierarchy problem 4. Higgs mechanism by radiative corrections 5. No quadratic divergencies, i.e. theory valid to high energies 6.Dark matter in the Universe 7.Superstrings Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 3
Fundamentale Fragen der Teilchenphysik Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 4
Was ist SUSY? Supersymmetrie ist eine Boson-Fermion symmetrie, die es erlaubt alle Naturkräfte zu vereinheitlichen (inkl. Gravitation) Q boson fermion Q fermion boson spin 2 spin 3/2 spin 1 spin 1/2 spin 0 SUSY kann in der Natur nur existieren, wenn es gleich viele Bosonen und Fermionen mit gleichen Wechselwirkungen gibt Verdoppelung desteilchenspektrums e s (Waw, Eldorado für Experimentalphysiker) In modernen Theorien sind Teilchen Anregungen von Strings in 10-dimensionalem Raum (String theory) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 5
SUSY Shadow World One half is observed! One half is NOT observed! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 6
Supersymmetrie Teilchenmassen 100-2000 GeV! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 7
Grand Unified Theories Beachte: SM basiert auf Rotationssymmetrien, wie SU(n). (Symmetrie Unitaire mit nxn Matrizen). SU(n) hat daher n 2-1 Eichbosonen (-1 durch die Unitaritätsbedingung). Lokale (Eich)symmetrie (engl. Gauge Symmetrie) verlangt Existenz dieser n 2-1 Eichbosonen. Lokale Eichinvarianz: drehe nur 1 Blatt. Kleeblatt invariant unter globale Invarianz nur wenn ich Info weitergebe SU(3) Rotationssymmetrie durch Austauschteilchen, das dann die nächsten Blätter auch dreht.oder Farbe ändert, wie bei Quarks. Brauche 9 Gluonen. Lin. Komb. rr+gg+bb +bb inv.->8gluonen rr rg rb gr gg gb bg bb br Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 8
Grand Unified Theories Aber wie können solche unterschiedlich starke Kräfte vereinheitlicht e e werden? Antwort: sie sind gleich stark bei hohen Energien. Unterschied bei niedrigen Energie durch Quantenfluktuationen (QF)! + - Heisenberg - lässt grüßen! Feld um ein elektrisch geladenes Teilchen reduziert durch Abschirmung der Elektron-Positron-Paare P (Vakuumpolarisation) Feld um ein farbgeladenes Teilchen reduziert durch Abschirmung der Quarkpaare, aber verstärkt durch Gluonpaare. Diese Anti- Abschirmung überwiegt. Daher Feld auf großem Abstand stärker als nackte Farbladung des Quarks! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 9
Laufende Kopplungskonstanten Schlussfolgerung der Vakuumpolarisation: Elektromagn. WW nimmt zu bei hohen Energien. Feinstrukturkonstante 1/137 wird 1/128 bei LEP! Starke WW nimmt ab bei hohen Energien (= kleinen Abständen)-> Asymptotische Freiheit Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 10
Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren Elektrische Kraft Dichte der elektrischen Feldlinien 1/r 2 Photonen ungeladen keine Selbstkopplung EÜ*+üpmc2 E=mc 2 Starke Kraft Dichte der Farbfeldlinien 1/r 2 +r durch Gluonselbstkopplung (Gluonen bilden Strings ) Teilchen bilden sich entlang strings, wenn es energetisch günstiger ist, potentielle Energie in Masse umzuwandeln Jets von Teilchen entlang ursprünglicher Quark-Richtung Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 11
Die Struktur des Protons Die drei Valenz Quarks des Protons werden zusammen- gehalten durch Gluonen (von engl. glue =Kleber). Diese Gluonen können für kurze Zeit in Quark-Antiquark Paare ( See-Quarks ) übergehen, die jedoch nach hder Heisenbergsche Unschärferelation sofort wieder verschwinden. Daher braucht man beim LHC keine Antiprotonen, denn bei den hohen Energien haben viele der Seequarks genügend hohe Energien um Wechselwirkungen zu erzeugen. Heisenberg lässt grüßen! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 12
Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY Hinweis auf Physik Beyond the SM? Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 13
Entwicklung des Universums in einer GUT Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 14
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 G. Für Energien unterhalb von M X c 2 ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die Energieentwicklung gist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen- g gleichung der entsprechenden Untergruppe. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 15
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 Quarks und Leptonen im gleichen Multiplet Übergänge zwischen den Teilchen eines Multiplets antisymmetrischer Tensor es gibt Baryon- und Leptonzahl verletzende Übergänge Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 16
Eichbosonen in der SU(5) Fundamentale Darstellung: 5 und 5* Anzahl der Generatoren 5 5-1 = 24 24 Vektorteilchen Die SU(5) beinhaltet die bekannten Eichbosonen: Gluonen, W, Z 0,. 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. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 17
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Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 19
Proton decay expected in GUT s Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 20
R-Parität Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 21 21
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. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 22 22
Some production diagrams Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 23
R-Parität bedeutet LSP ist perfekter Kandidat der DM DM kann nur durch elastische Streuung mit normaler Materie wechselwirken (R=-1 1im Anfangs- und Endzustand) DM kann annihilieren mit sich selbst-> Reduzierung der Dichte im Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wenn Annihilationsrate gleiche Größenordnung wie Expansionsrate. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 24
Example of SUSY production and decay chain Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 25
Wichtigste SUSY Signatur am Beschleuniger: fehlende transverale Energie Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 26
Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet: Vereinheitlichung aller Kräfte mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus s 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) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 21.01.2011 27