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Neue Physik jenseits des Standardmodells Large Extra Dimensions SS 2005 Vortragender: Martin Brodeck.

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Präsentation zum Thema: "Neue Physik jenseits des Standardmodells Large Extra Dimensions SS 2005 Vortragender: Martin Brodeck."—  Präsentation transkript:

1 Neue Physik jenseits des Standardmodells Large Extra Dimensions SS 2005 Vortragender: Martin Brodeck

2 2/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Inhalt Zusätzliche Raumdimensionen (LXD) –Einführung –Theorie –Gravitationsexperimente –Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ausblicke

3 3/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Einführung Offene Fragen Warum ist die Gravitation so schwach? Haben die Kräfte eine gemeinsame Ursache? Waren die Kräfte im Urknall gleich? –Ist das Universum beim Abkühlen unsymmetrisch geworden? Ziel: Große Vereinigung inklusive Gravitation

4 4/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Einführung Ziel: Vereinigung von Theorien/WW –Maxwell: elektrische und magnetische Kräfte Elektromagnetismus –Einstein: spezielle Relativitätstheorie und Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie –Glashow, Weinberg und Salam: Schwache und elektromagnetische Kraft elektroschwache Theorie –Elektroschwache und starke Kraft: Grand Unification Theorie (GUT)? –Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali 1998: Vereinigung mit der Gravitation?

5 5/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Idee Theodor Kaluza führt 1919 neue Raum- Dimensionen ein; er begründet fehlende Anzeichen durch aufgerollte Dimensionen Oskar Klein veröffentlicht 1926 mathematische Grundlagen zu kompakten Extra-Dimensionen Erste Abschätzung: Größe der Dimensionen < kleinste Wellenlänge beobachteter Photonen

6 6/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in Extra-Dimensionen Integral über geschlossene Oberfläche proportional zur eingeschlossenen Masse Das Gravitationsfeld um eine Punktmasse ist isotrop Definition: Unsere normale Welt (n=0) hat 4 Dimensionen (3xRaum + 1xZeit) Stabile Kreisbahn nur für n=0, keine Stabilität bei n>=1 Kein Sonnensystem in höheren Dimensionen möglich!

7 7/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Neuer Ansatz: Die zusätzlichen Dimensionen sind aufgerollt und sehr klein, daher für uns nicht sichtbar! Wir betrachten Gravitationskraft in aufgerollten Dimensionen und benutzen dazu die Bildmethode:

8 8/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Summe über alle gespiegelten Massen Abstand der Massen Kompensiert die senkrechten Kraftanteile

9 9/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für mehr als eine Extradimension enthält die Formel einige zusätzliche Summen:

10 10/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für r << R wird der Ausdruck bei i = 0 sehr viel größer als die anderen Terme Für r >> R erhalten wir das newtonsche Gravitationsgesetz:

11 11/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Die Idee von Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali 1998 veröffentlichten Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali (ADD) einen Artikel in dem die Schwäche der Gravitation durch zusätzliche Raumdimensionen erklärt wird: Nur Gravitonen können in die zusätzlichen Dimensionen entweichen (bulk) Gravitation sieht für uns schwächer aus als sie ist Alle Felder des Standardmodells bleiben in unseren 3+1 Dimensionen (brane)

12 12/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Starkαsαs 1 Elektromagnetischα1/137 Schwachα W (E ) Gravitationαgαg Aus Dimensionsbetrachtungen erhält man: Ziel von ADD: Lösung des Hirarchie-Problems m EW ~ M 4+n Kopplungskonstanten (Stärke einer Wechselwirkung): ~α für hohe Energien Planckmasse

13 13/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Neue, verallgemeinerte Kopplungskonstante: Gravitation in unserer Welt: Konstante

14 14/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell n R/m Falls es aufgerollte Raumdimensionen gibt, so müssen es mindestens 2 sein. Dieser Ansatz reproduziert unser bisheriges Wissen und lässt gleichzeitig Raum für neue Interpretationen.

15 15/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Zusammenfassung Neues Gravitationsgesetz für 4+n Dimensionen Aufgerollte Dimensionen ermöglichen Erhalt der alten Gesetze mit neuen Interpretationen ADD beschreiben neues Modell: –Gravitonen verschwinden im bulk Schwäche der Gravitation –Massenskala ~ m EW –n >= 2 n R/m

16 16/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente Schwierigkeiten Torsionswaagen Resonanz-Frequenz-Techniken

17 17/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Für r~R kann die Abweichung von der üblichen 1/r 2 -Abhängigkeit gut durch einen Yukawa-Term beschreiben werden. r << Rr ~ Rr >> R ~1/r 2+n Yukawa~1/r 2 Messungen werden in einem solchen Graphen veröffentlicht.

18 18/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Offensichtliches Problem: Schwäche der Gravitationskraft. Wir betrachten die Verkleinerung des Versuchsaufbaus um einen Faktor A: Massen:Je A -3 pro Testmasse insgesamt Faktor A -6 Abstand:Faktor A 2 Insgesamt:Schwächung der Kraft um Faktor A -4 Verkleinerung der Anordnung auf die Hälfte Schwächung der Kraft auf 1/16 Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen

19 19/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen ProblemLösungsansatz Elektrische und magnetische Untergrundeffekte Elektrische Abschirmung und nicht-magnetische Materialien Akustische und seismische Vibrationen Abschirmung und Dämpfung des Versuchsaufbaus Thermisches RauschenGekühlte Systeme Van der Waals – KräfteSind extrem klein, werden in der Theorie berücksichtigt Casimir-KräfteAbschirmende Materialien

20 20/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Casimir – Kräfte 1948 vorausgesagt von Hendrik Casimir Tritt zwischen zwei leitenden Oberflächen auf Vakuum-Fluktuationen erzeugen elektromagnetisches Feld Zwischen den Platten werden einige Schwingungsmoden unterdrückt Es können nur virtuelle Photonen bestimmter Frequenzen entstehen Quantendruck von außen Resultierende anziehende Kraft Nachgewiesen 1958 von Marcus Spaarnay et al. Zwei Metallplatten mit 1cm 2 Fläche und Abstand 1μm: N

21 21/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit einer Torsionswaage: Cavendish, 1798 University of California, 2000 Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, mm Aluminiumscheibe mit 10 Löchern (Testmasse) Darunter zwei Platten gleicher Anordnung (Quellmasse) Rotation der Quellmasse alle zwei Stunden Torsion (optisch Ausgelesen) Untere Platte dicker und um 18 Grad verdreht [360°/10/2] Normale 1/r 2 Abhängigkeit wird gelöscht 20 μm Beryllium-Folie zwischen Masse Dünne Goldschicht auf allen Teilen Dämpfung 1.5 cm

22 22/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, 2001 Messung der Gravitation bei Abständen von ca. 200 μm Ergebnis: Keine anormalen Abweichungen feststellbar 1 cm

23 23/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich 1 mg Gold auf Trägerarm (Testmasse) Quellmasse aus Silizium mit Goldstreifen Quellmasse schwingt mit Resonanzfrequenz des Trägers (300 Hz). - Resultierende Kraft: Atto-Newton ( N) Auslenkung: einige Angstrom, vermessen mit Interferometer Abmessung Träger: 150 μm lang, 0.3 μm dick Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken J.C. Price et al. an der University of Colorado, 2003 S. Schiller et al. von der Universität von Düsseldorf, 2001 A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, μm x 100 μm x 1mm50 μm x 50 μm x 30 μm

24 24/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003

25 25/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Kühlung des Systems auf 4 K (Flüssig-Helium Kryostat) Durchführung im Hochvakuum Mantel des System ist aus Metall Faraday Casimir-Kraft wird durch 3 μm Nitridfilm abgeschirmt Besonders wichtig: Abschirmung vom Piezo-Biomorph Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, cm

26 26/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 Ergebnisse

27 27/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Emission von Gravitonen in Extra-Dimensionen Das Signal: fehlende Transversalenergie zusammen mit einem hochenergetischen Jet. Effekte am Tevatron Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Veränderung des Wirkungsquer- schnittes für Di-Lepton und Di-Photon Produktion

28 28/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Simulation von. Das Gluon erzeugt einen Jet, das Graviton entweicht in die Extra-Dimensionen und wird nicht nachgewiesen. Suche nach Monojets

29 29/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Vorteil: relativ großer Wirkungsquerschnitt Nachteil: Großer Untergrund: Daten aus dem Detektor am Tevatron (gesammelt 1994 – 1996) Kollisionen mit und einer integrierten Luminosität von Wichtigste Trigger: Qualität! Es darf ein zweiter Jet mit E T (j 2 ) < 50 GeV vorhanden sein (ISR und FSR) Events mit einem Myon werden aussortiert (W/Z-Produktion und kosm. Strahlung)

30 30/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern KriteriumEreignisse übrig Qualität (z.B. hot cells) Isoliertes Myonen Veto 1 (Myonensystem) (falsch gemessen Jets)129 Kosmische Strahlung69 Verifizierung des Primär-Vertex (Δz < 10 cm)39 Isoliertes Myonen Veto 2 (Kaloriemeter)38 Die erwarteten Events wurden mit PHYTIA Monte Carlo Generator simuliert. Folgende Szenarien wurden untersucht: n = 2..7 M 4+n = ( ) GeV

31 31/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern UntergrundEreignisse 21.0 ± ± ± 2.3 QCD und kosm. Effekte 7.8 ± 7.1 Gesamter Untergrund38.0 ± 9.6 Daten38 Keine Bestätigung von ADD in diesem Bereich! Aber…

32 32/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern …neue Grenzen des Modells: Unteres Limit für M 4+n n M 4+n /TeV Auch die Experimente am LEP konnten keine Extra- Dimensionen nachweisen

33 33/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Effekte am LEP Direkte Graviton-Emission Das Signal: Größerer Wirkungsquerschnitt für den Annihilationsprozess der Elektronen. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Abweichung von den QED und SM Vorhersagen.

34 34/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Virtueller Gravitonenaustausch Neue Physik wird durch einen Zusatzterm in Wirkungsquerschnitt beschrieben:

35 35/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ergebnisse des virtuellen Graviton-Austausches Low Scale Gravity

36 36/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Experimente Zusammenfassung Direkte Messung der Gravitation konnte für n=2 M 4+n auf mindestens 1,4 TeV begrenzen (Torsionswaage und Resonanz-Frequenz-Technik) n=3 nicht direkt messbar Effekte von Gravitonemission und virtuellem Gravitonenaustausch müssten an Beschleunigern sichtbar sein Auswertung der Daten vom Tevatron und LEP kann LXD nicht nachweisen, die neue Planck- Masse M 4+n aber eingrenzen

37 37/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Ausblicke Verbesserung der Ergebnisse durch laufenden Betrieb am Tevatron Auch LHC kann Grenzen festlegen, die Theorie von Extra Dimensions aber nicht wiederlegen Falls Extra Dimensionen: F G > F EM möglich –Produktion von Micro Black Holes –Nachweis über Hawking-Strahlung –Untersuchung von Schwarzen Löchern

38 38/ Neue Physik jenseits des Standardmodells Ende Teil 1


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