Physik nach LHC Peter Schleper Hamburg, 18.1.2005

Inhalt Stand des Standardmodells Theoretische Vorhersagen fur LHC Entdeckungen bei LHC Beschleuniger und Experimente ILC International Linear Collider S-LHC und VLHC Myon Collider Schlussfolgerungen

Das Standard Modell: Teilchen und Kraefte 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 Naturkraefte: Elektromagnetismus Schwache Kraft Starke Kraft Gravitation ???

Grundbausteine der Natur Austauschteilchen Materieteilchen Warum diese Teilchen ? Warum diese Massen ? Higgs Teilchen !? Warum Unterschied fuer Fermionen und Bosonen ? Supersymmetrie !?

Das Standard-Modell mit Higgs LEP: e+e-  …. Praezisionstest der Teilchenphysik Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell ueberein !! …falls das Higgs existiert und MH < 250 GeV Z0 W+W- Z0 Z0 Sonst: Widerspruch Alternativen ????

Eich-Theorie Quantenm. Spez. Relativit. Quantenfeldtheorie Eichsymmetrien Herleitung der Naturkraefte elektromagn., starke, schwache Kraft Quantentheorie: Teilchen folgen Wellengleichungen Nur Betrag der Wellen ist beobachtbar: Phase der Welle ist beliebig:  Y ei a laesst Experiment unveraendert Symmetrie der Natur: Erhaltung der Elektr. Ladung g, Z,W,g haben Spin 1 Form der Kraefte Alle Teilchen in kompletten Generationen Vorhersage Charm, Top, Neutrinos Es muss ein Higgs Teilchen geben Higgs wechselwirkt mit Masse Quantenkorreturen Selbstwechselwirkung von Z,W,g,H Theorem: Nur Eichtheorien liefern physikalisch sinnvolle Resultate

Das Standard-Modell 19 Teilchen, 26 freie Naturkonstanten Ist das ALLES ? Bauprinzip ? Vereinfachungen ? Vereinheitlichungen ?

Stand der Physik Ein Zitat: …it seems probable that most of the grand underlying principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to be sought chiefly in the rigorous applications of these principles to all the phenomena which come under our notice. … An eminent physicist has remarked that the future truths of Physical Science are to be looked for in the sixth place of decimals. Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99 Kurz danach: Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie, Quantenmechanik Bald: Higgs, SUSY

Theorien der Physik Energie, Temperatur, Zeit

Extrapolation der Naturgesetze Kosmologie und Teilchen

Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen (Sin 1 /2, 3/2) und Bosonen (Spin 0, 1, 2) Jedes Teilchen bekommt ein Partnerteilchen 1/2 Leptonen (e, ne, …) Quarks (u, d, …) 1 Gluonen W Z0 Photon (g) 2 Higgs Graviton Spin Standardteilchen Sleptonen (e, ne, …) Squarks (u, d, …) Spin Superpartner 1/2 Gluinos Wino Zino Photino ( g ) 3/2 Higgsino Gravitino ~ Aehnlich fundamental wie Entdeckung der Antimaterie Photino kann nicht zerfallen ! Eich-Wechselwirkungen bleiben

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 ?!?

Hinweise auf Supersymmetry Dunkle Materie im Kosmos Gravitation ~ 1/r2  Rotationskurven (Keppler) Galaxie NGC6503 Sonnensystem Abweichung von Keppler Gesetzen oder Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter “ im HALO

Dunkle Materie im Kosmos Aus Beobachtung weit entfernter Supernova Expolsionen Kosmologische Dichte Dunkle Energie (Kosmologische Konstante) Dunkle Materie Normale Materie (davon nur ca. 10% leuchtend) Neutrinos min. 0.1% max. 6% Higgs Supersymmetrie Exotica Unbekannte Form der Materie: Photino ???

LHC: der Large Hadron Collider CERN: Europaeisches Zentrum fuerTeilchenphysik in Genf Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher Start: 2007

Higgs bei LHC Gluonen aus Protonen: gg  H Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)

Supersymmetrie am LHC Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden

Entdeckungen bei LHC Meine persoenliche Meinung: SUSY als theoretisches Konzept ist ueberzeugend: SUSY Entdeckung schon sehr frueh bei LHC Higgs: experimentell deutlich schwieriger Entdeckung dauert 2-3 Jahre… falls es existiert Ueberraschungen: durchaus moeglich !!! Large extra dimensions neue WW

Historie der Entdeckungen Warum Beschleuniger ? Welche Beschleuniger ? Vorhersage Entdeckung Teilchen Theorie kosmische Beschl. Antimaterie kosmische Beschl. mu,pi, … Symmetrie e-p up, down Theorie pp, e+e- charm pp beauty Theorie e+e- gluon Theorie pp W, Z e+e- (2%) pp top e+e- (100%) pp ? Higgs Kosmos: Teilchenrate zu (?) gering e+e- Beschleuniger: Praezision  Vorhersagen pp Beschleuniger: Ecms gross  Entdeckungen Historie Erfolgreich

Beschleuniger Proton-Proton: S-LHC, VLHC e+e- ILC, CLIC Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen Hoehere Energie: Aufloesungsvermoegen Entdeckungen neuer, schwerer Teilchen Proton-Proton: S-LHC, VLHC e+e- ILC, CLIC Aufloesungsvermoegen: 10-19m

Beschleuniger im Vergleich e+e- Proton-Proton Ecms begrenzt durch Synchrotron-Rad oder Laenge des Beschleunigers begrenzt nur durch Staerke der Magnete Effektives Ecms =Ecms =Ecms *x1*x2 Quark-Impulse im Proton Untergrund klein, genau bekannt riesig, ungenau Genauigkeit Praezision, begrenzt durch Statistik Begrenzt durch Untergrund Schwierigkeiten Beschleuniger Luminositaet Experimente, Teilchenrate Myon-Beschleuniger: kaum moeglich…

S-LHC und VLHC Very Large Hadron Collider: Super-LHC: Ecms ~ 50 … 100 TeV Probleme: Magnete Groesse des Rings Teilchendichte  Experimente Super-LHC: Faktor 10 mehr Luminositaet Ecms=14 TeV, Eeff groesser (PDF) Grosse Teilchenraten/dichten  feinere Segmentierung  grossere Radien Faktor 10 mehr Auslesekanaele Neue Spurdetektoren Neue Elektronik Neue Datennahme Neue Computing Methoden Wird sicher kommen ! > 20 Jahre Entwicklung

International Linear e+e- Collider Kreisfoermiger Beschleuniger LEP: Ecms=208 GeV, Umfang=27 km Verlust durch Synchrotron-Strahlung ~ E4 Linearer Beschleuniger Konkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA) Technologie-Entscheidung (2004): DESY Technology: Supraleitende Cavitaeten Probleme: Beschleunigungs-Spannung gross !! fuer ‘kurzen’ Beschleuniger Luminositaet: Strahl nur einmal nutzbar. DESY: 35 MeV / m Strahlquerschnitt: 500 nm x 5 nm

Linear Collider Vorschlag: 33 km langer Beschleuniger im Norden von Hamburg

Detektor fuer ILC Hoechste Praezision: Extrem anspruchsvoll viele Lagen Silicon-Pixel TPC Time Projection chamber Elektr.magn. Kalorimeter mit Silizium-Detektoren zur Spur-Rekonstrumktion Extrem anspruchsvoll

Physik am e+e- Linear Collider Z0 Energie-Schwelle Wirkungsqeuerschnitte: ~fb Higgs: e+e-  Z H Ecms > mZ + mH SUSY: paarweise sleptonen, charginos

Higgs am e+e- ILC Test des SM: ZZH Kopplung WWH Kopplung Kopplungen sollten ~ MZ,MW sein

ILC Higgs Entdeckung Higgs Masse = Recoil- Masse e+e-  Z H  m m H Berechne mm Impulse: Fehlende Masse = MH Modell-unabhaengiger Test der Higgs Produktion Messe Zerfaelle des H Verzweigungsverhaeltnisse Massen = Kopplungskonstanten ?

Higgs Zerfaelle am ILC Grosse Genauigkeit fuer Test des SM ZHH Kopplung !

Indirekte Hinweise auf SUSY Genaue Messungen Von Mt, MW erlauben Ausschluss des SM und Bestaetigung von SUSY ?…

Supersymmetrie am ILC Komplexes Massenspektrum: Schluessel fuer Brechung der Supersymmetrie und des SM

Messung der SUSY Zerfaelle am ILC Sehr reine Zerfaelle, fast ohne Untergrund Erlaubt Messung aller Teilchen mit M< Ecms/2 Argument fuer CLIC…? ILC: Sleptonen Gauginos LHC: Squarks Gluino

An der GUT Skala… Physik bei 1016 GeV: Extrapolation der gemessenen SUSY-Massen zu hohen Energien: Vereinheitlichung der fundamentalenParameter der Natur: Kopplungen, Massen, Mischungswinkel

CLIC Neues Beschleunigungskonzept fuer e+e- (CERN) Drive beam: v ~ c, sehr grosser Teilchenstrom Erzeugung eines el.mag. Pulses durch drive beam: hohe Felder ! Auskopplung der Energie an e+e- beam Ecms = 3 TeV, Laenge = 37 km Noch lange Entwicklungszeit, Konkurrenz zu TESLA ILC ??

Physik bei CLIC Komplexe Ereignisse, Immer noch viel einfacher als bei LHC Voller Maeesenbereich fuer SUSY !?!

Schlussfolgerungen Heute: Theorie unvollstaendig, da zu willkuerlich Higgs noch nicht entdeckt Alle Messungen stimmen mit SM ueberein (dunkle Materie, siehe Michelson-Morley) Durch LHC: Neue Teilchen entdeckt Natur der neuen WW unklar Durch ILC: praezise Messungen des Higgs und der neuen Teilchen SUSY oder nicht ? Extrapolation zur GUT Skala: Gewinn um Faktor 1014 LHC + ILC = fundamental neue Einsicht in die Natur

Experimenteller Urknall am LHC ! Higgs Supersymmetry Extra Dimensionen Schwarze Loecher