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Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 1 Urknall Teilchenphysik Astroteilchenphysik Astronomie Kosmologie 13.7 billion years 10 -34 s 95%

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1 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 1 Urknall Teilchenphysik Astroteilchenphysik Astronomie Kosmologie 13.7 billion years 10 -34 s 95% of energy in universe of unknown nature Elementarteilchen 10 -12 s 10 2 s Dunkle Materie= Supersymmetrischer Partner der CMB?

2 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 2 Teilchenmassen 100 - 2000 GeV ! Supersymmetry Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie)(Kraftteilchen)

3 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 3 SUSY Dark Matter Neutralino = SUSY candidate for the cold Dark Matter Neutralino = the Lightest Superparticle (LSP) = WIMP photino zino higgsino higgsino Superparticles are created in pairs The lightest superparticle is stable

4 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 4 Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

5 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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 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.

6 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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

7 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 7 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.

8 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 8 8 Vereinigung der Kräfte Input Output SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen. Die Kopplungskonstanten werden gleich groß. Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991) SMSUSY Skalenverhalten: 1/ i logQ 2 beruht auf radiativen Korrekturen

9 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 9 Running Coupling Constants

10 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 10 Running of Strong Coupling Constant

11 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 11 Vakuumenergie abstoßende Gravitation Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent!

12 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 12 Possible Evolution of the Universe

13 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 13

14 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 14 Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym.

15 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 15 Proton decay expected in GUTs

16 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 16 R-Parität

17 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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.

18 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 18 Some production diagrams

19 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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 Dichte im Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wenn Annihilationsrate gleicher Größenordnung wie Expansionsrate.

20 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 20 Thermische Geschichte der WIMPS Thermal equilibrium abundance Actual abundance T=M/22 Comoving number density x=m/T Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 WMAP -> h 2 =0.113 0.009 -> =2.10 -26 cm 3 /s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 10 5. DMA ( ρ 2 ) fängt wieder an. T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f T f+f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate Expansionsrate, i.e. = n (x fr ) H(x fr ) !) Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> 0s -> Gammas! Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.

21 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 21 Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY Egret: WIMP 50-100 GeV WMAP: =2.10 -26 cm 3 /s f f f f f f Z Z W W 0 f ~ A Z Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV)

22 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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

23 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 23 G.F. 5000 cm 2 sr Exposure > 3 yrs dP/P 2 ~ 0.004 2.5 TV, p rejection = 10 -5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps

24 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 24 AMS to be launched in 2010 AMS Space Shuttle

25 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 25 AMS on ISS

26 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 26 The AMS superconducting Magnet at CERN (2008) 26 Coils He Tank

27 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 27 Magnet inside vacuum tank

28 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 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 2009. Flight to ISS 2010. Note: all components have been integrated in2008 in spare vacuum vessel and have been thoroughly tested. They worked as expected.

29 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 29 Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

30 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 30 Model of AMS-02 on ISS

31 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 31 Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

32 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 32 Example of SUSY production and decay chain

33 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 33 Prinzip eines Teilchendetektors

34 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 34 Transverse slice through CMS detector

35 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 35 CMS Collaboration

36 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 36 Pixel endcap disks 214m 2 of silicon sensors 11.4 million silicon strips 65.9 million pixels in final configuration! The Tracker

37 Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 37 Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet: Vereinheitlichung aller Kräfte mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie mit Annihilationsrate im Bereich der Expansion des Universums 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)


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