Experimente zur Physik jenseits des Standard-Modells

Peter Schleper Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg Sommer 2014 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 1

Gliederung

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Literatur Vorlesung: www.desy.de/~schleper/lehre/

Frei verfügbar im WEB: • J.Feng, “Dark matter at the Fermi Scale”, http://arxiv.org/astro-ph/pdf/0511/0511043v1.pdf • S. Martin, “A Supersymmetry Primer”, hep-ph/9709356 http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356 • D.I. Kazakov, „Beyond the Standard Model“, CERN school 2004 http://doc.cern.ch/yellowrep/2006/2006-003/p169.pdf • LHC im Detail: WWW Seiten der ATLAS und CMS Experimente http://atlas.web.cern.ch/Atlas/index.html http://cms.cern.ch/ • Weitere Artikel während der Vorlesung

Lehrbücher: (DESY Bibliothek oder Bibliothek des Instituts für Experimentalphysik in Bahrenfeld) H.Baer, X. Tata, „Weak Scale Supersymmetry“, 2006 P. Binetruy, “Supersymmetry, Theory, Experiment and Cosmology”, 2006 Drees, Godbole, Roy, „Theory and Phenomenology of Sparticles“, 2004 G.Kane, „Perspectives on Supersymmetry“, 1998 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells

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Das Standard Modell: Teilchen und Kräfte Materie-Teilchen: 1. Generation

Entdeckungen 2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm 3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top …wegen Symmetrie zur 1.Generation

Naturkräfte: 1.  Elektromagnetismus 2.  Schwache Kraft 3.  Starke Kraft 4.  Gravitation ???

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Grundbausteine der Natur Austauschteilchen

Materieteilchen

Warum diese Teilchen ? Warum diese Massen ? Higgs Teilchen !? Warum Unterschied für Fermionen und Bosonen ? Supersymmetrie !?

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Das Standard-Modell

18 Teilchen, 26 freie Naturkonstanten Ist das ALLES ? Bauprinzip ? Vereinfachungen ? Vereinheitlichungen ? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 6

Eich-Theorie Quantentheorie:

Quantenm.

Spez. Relativit.

Quantenfeldtheorie Eichsymmetrien Herleitung der Naturkräfte

elektromagn., starke, schwache Kraft

Teilchen ... Wellen Nur Betrag der Wellen ist beobachtbar •  Phase der Welle ist beliebig •  lässt Experiment unverändert ! Symmetrie der Natur •  • 

Daraus folgt: •  Erhaltung der Elektr. Ladung •  g, Z, W, g haben Spin 1 •  Form der Kräfte •  Alle Teilchen in kompletten Generationen •  Vorhersage Charm, Top, Neutrinos •  Es muss ein Higgs Teilchen geben •  Higgs wechselwirkt mit Masse •  Quantenkorrekturen •  Selbstwechselwirkung von Z,W,g,H

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Extrapolation der Naturgesetze

Kosmologie und Teilchen

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Dunkle Materie in Galaxien Gravitation ~ 1/r2 " Rotationskurven (Keppler) Sonnensystem

Galaxie NGC6503

Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter = SUSY Teilchen ? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 9

Evidenz für Dunkle Materie Dark Matter: Nicht leuchtende Materie Evidenz aus: •  Expansion des Universums (Supernovae): ΩΛ ΩM •  Rotationskurven von Galaxien: ΩDM •  Cosmic Microwave Background (CMB): ΩΛ ΩDM •  Galaxien-Cluster: Kinematik, X-Rays, Gravitationslinsen: ΩDM •  Big Bang Nucleosynthesis: ΩB

M = Matter DM = Dark Matter Λ = kosmol. Konstante B = Baryonen

Universum ist nahezu flach ΩB = 4 ± 0,4% ΩDM = 23 ± 4% ΩΛ = 73 ± 4% à Großer Teil der Materie leuchtet nicht und ist nicht Baryonisch à Im SM: Kein bekanntes Teilchen kommt in Frage (Neutrinos: zu geringer Anteil) à In SUSY: Lightest Supersymmetric Particle (LSP)

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Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Namensgebung: Fermion #" S-Fermion Boson #" Bos-ino

Spin

Standardteilchen

Superpartner

Spin

1/2

Leptonen (e, νe, …) Quarks (u, d, …)

Sleptonen (e,~νe~, …) ~ Squarks (u,~d, …)

1

Gluonen W± Z0 Photon (γ)

Gluinos Wino Zino Photino ( γ~)

1/2

0

Higgs

Higgsino

1/2

2

Graviton

Gravitino

3/2

0

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Supersymmetry & Dark Matter at LHC SUSY event: Squark production

•  ETmiss = 360 GeV •  ETjet = 330, 140, 60 GeV

Calorimeter energies

φ

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Hinweise auf Supersymmetrie: Kopplungen Quantenkorrekturen beeinflussen Natur-”Konstanten”

SM

SUSY

Standard-Modell: keine Vereinheitlichung Supersymmetrie: Vereinheitlichung (Grand Unification GUT)

Hinweis auf neue Physik bei 1016 GeV ?!? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 13

Präzisionsexperimente und Kosmologie Loop Korrekturen durch schwere SUSY Teilchen " Präzision 1. LEP: Strahlungskorrekturen zu ee! bb, WW, …

•  • 

SUSY Teilchen ändern LOOP Korrekturen SUSY passt etwas besser als SM mit leichtem Higgs

2. µ ! eγ verboten im SM

• 

Verletzt Leptonzahl-Erhaltung

3. b ! s γ

• 

stark unterdrückt im SM

b 4. g-2 des Myons

~q χ±

5.  γ s

•  •  • 

Dunkle Materie in der Kosmologie Positive Evidenz mit kleinem Fehler !! Modellabhängig MLSP < 500 GeV 0

χ

χ0

~ ℓ

ℓ ℓ

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5. Zusammenfassung und Ausblick SM- Theory •  U(1) x SU(2) x (SU(3) •  Local gauge field theory, EWSB

Experiment

" Renormalizable " Free of anomalies

•  Predictive power:

•  W, Z, top, Higgs •  running of couplings

•  Arbitraryness:

•  Construction principle •  18 particles, 26 constants

•  Incomplete: • Limited at High Energies (>1 TeV) • Hierarchy problem, MH " GUT, SUSY, Gravity, … à SUSY: MH, MGUT, Dark matter

•  • 

All (?) data correctly described Consistent picture of all interactions below 200 GeV " Outstanding success of the SM

•  • 

Higgs particle discovered Which ?

• 

Cosmology: no explanation for Dark Matter, Dark Energy, Matter – Antimatter Asymmetrie

Tension between experiment and theory à Time for a decisive experiment: LHC P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 15

Theorien der Physik 2010 ?

2007

Energie, Temperatur, - Zeit

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