Das Standard Modell der Teilchenphysik Stand und offene Fragen P. Schmid Innsbrucker Vorbereitungstreffen für den CERN Besuch 16. Jänner 2006

Die (uns bekannte) Materie ist aufgebaut aus Quarks und Leptonen q l ( den “ Bausteinen ” ) die durch bekannte Kräfte miteinander wechselwirken; die Bausteine haben Spin 1/2, die Kräfte Spin 1

Die Welt der Baustein-Materie ist allerdings nur die “halbe” Welt: sie hat eine völlig symmetrische “Spiegelwelt” der Antimaterie Antiquarks und Antileptonen _ _ ql

Die Bausteine (Materie und Antimaterie) wechselwirken untereinander durch 4 verschiedene Kräfte, die durch “Austausch-Teilchen” beschrieben werden. Kraft Teilchen Theorie Symmetrie elektromag.  QED U(1) schwache W +,W -,Z 0 QFD SU(2) starke g i QCD SU(3) Gravitation Graviton ? ? { } GWS

die mit allen Teilchen wechselwirkende Schwerkraft ist so schwach, dass sie in der experimentellen Teilchen- physik keine Rolle spielt; ihre (quantentheoretisch) konsistente Beschreibung ist ein offenes Problem ausserhalb des Standard Modells

Besonderheiten des SM - die 3 Kräfte (elm., schwache und starke Kraft) haben inhärent ähnliche Strukturen; sie können durch Eichtheorien beschrieben werden (S = 1 Austauschteilchen) -alle WW können gleichzeitig in einem abstrakten Symmetrieraum mit der Gruppenstruktur U(1) x SU(2) x SU(3) beschrieben werden -die schwachen WW wirken nur auf “linksdrehende” Zustände der q und l -“Mischung”: die qu.m. Eigenzustände der schwachen WW entprechen nicht den Masseneigenzuständen

Die Erfolge des Standard Modells

Alle uns bekannten Prozesse von qs und ls können im Standard Modells (SM) mit (theoretisch) beliebiger Genauigkeit berechnet werden, sobald die “Naturkonstanten” (Masse der q und l, Kopplungs- konstanten,...) fixiert sind; -die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist sensationell gut; die experimentellen Messungen hunderter verschiedener Reaktionen in ll, lq und qq WW stimmen mit den theoretischen Berechnungen überein; keine einzige Reaktion widerspricht der Theorie !

spektakuläres Beispiel: Anregungskurve des Z 0 in e + e - Kollisionen: abhängig von der Anzahl “leichter” Neutrinos (= Anzahl der Familien) bestes LEP Ergebnis: n = /

Offene Fragen an das Standard Modell

-warum 3 Kräfte mit ähnlicher interner Struktur ? (Eichtheorien, Spin=1) -woher kommt die “Linkshändigkeit” der schwachen WW ? -woher kommen die Massen der q und l und ihre enorme Spanne ? -woher kommt die “Mischung” der 3 “d-Typ” Quarks und der 3 Neutrinos ? -warum gibt es (genau) 3 Familien ?

“zu viele” Parameter des SM: 12 Massen der q und l 3 Kopplungskonstanten der Kräfte 10 Mischungsparameter ( 4 in d-q + 6 in ) 2 Higgs Parameter (im Minimalmodell) _____ 27

Ideen zur Beantwortung der Fragen auf der Basis erfolgreicher Komponenten des SM: - Erzeugung der q und l Massen durch Higgs - Felder -“Grosse Vereinheitlichung” aller drei Kräfte (GUTs) -“Supersymmetrie” ( SUSY) zwischen Bausteinen und Kräften

Massenerzeugung durch den HIGGS - Mechanismus -Äqivalenz von Masse und Energie: E = m c 2 -die Felder, die die Teilchen (Bausteine und Kräfte) darstellen, besitzen Energie; -für die meisten (aber nicht alle !) Teilchen besteht ein Teil dieser Energie in der Form von Masse warum ist das so ? und woher kommen die (sehr verschiedenen) spezifischen Massenwerte ?

Im Rahmen der Feldtheorie wurde von P. Higgs die Möglichkeit gefunden, für masselose Vektorteilchen durch die Wechselwirkung mit einem zusätzlichen skalaren (S=0) Feldes mit einer speziellen Potentialform Masse zu generieren. zunächst nutzloses Kuriosum... dann wurde (von Glashow, Weinberg und Salam) erkannt, dass diese Möglichkeit es erlaubt, die elektromagnetische und die schwache Kraft konsistent zu vereinheitlichen

Potential des Higgs - Feldes: Der Zustand tiefster Energie (“Vakuum”) wird nicht beim Verschwinden des Feldes (  = 0 ), sondern bei einem endlichen Wert von  erreicht.

Das Higgs in der elektroschwachen Theorie: 4 Vektorfelder, die die elektro-schwachen Kräfte vermitteln, werden zunächst masselos eingeführt; durch Hinzufügen eines weiteren skalaren Higgs SU(2) Dublet Feldes wird die ursprüngliche Symmetrie gebrochen:  die 4 masselosen Felder spalten sich auf in - ein masseloses Feld:  - ein Triplet mit Masse: W +/-, Z 0

Das Higgs-Feld kann auch - mit verschiedenen Stärken - an die zunächst masselosen Felder der Bausteine gekoppelt werden Resultat: - Massenerzeugung für den Baustein und - Wechselwirkung zwischen Higgs und Baustein (proportional zur Masse des Bausteins)

Das Higgs Teilchen

Grosse Vereinheitlichung Verallgemeinerung des Erfolges der elektro-schwachen Theorie  Einbezug der starken WW U(1) x SU(2) x SU(3) ?  SU(5), SO(10) Interpretation: - für die schwache Kraft sind die Dublets (, l),(u, d) zwei Zustände des selben Teilchens

- für die starke Kraft sind die Farbtriplets (u r, u b, u g ) drei Zustände des selben u Teilchens -in einer GUT sind die Teilchen einer Familie ( (, l), (u c, d c ) ) alles Zustände eines einzigen Bausteins wenn auch links- und rechtshändige Zustände getrennt gezählt werden, so hat ein SO(10) Baustein ( 2 + 2x3 ) x 2 = 16 Zustände die Teilchen der 3 Familien wechselwirken durch eine einzige Superkraft (die sich allerdings in einer zunächst ungeklärten “Symmetrie-Brechung” in die 3 bekannten Kräfte aufspaltet)

diese Idee findet starke Unterstützung durch die gemessene Energieabhängigkeit der Kopplungs”konstanten”:

GUTs bedingen q l Übergänge  das Proton wird als instabil vorausgesagt ! wenn die Dynamik der Symmetriebrechung verstanden wird, so folgen Beziehungen zwischen den - Kopplungskonstanten - Massen - Mischwinkeln und dadurch eine enorme Reduktion der Parameter

Supersymmetrie: Ist die Asymmetrie zwischen “Bauteilchen” (Spin=1/2) und “Kräften” (Spin=1) fundamental ? Grosse theoretische Vereinfachung bei voller Symmetrie  Verdoppelung des Spektrums S= 1 sleptons, squarks. S= 1/2 photinos, gluinos, W & Zinos, Higgsinos die leichtesten SUSY Teilchen sollten stabil sein !

offene Frage, die (wahrscheinlich) ausserhalb der Reichweite der LHC Experimente liegt: Vereinigung der drei Kräfte (elm., schwache und starke) mit der Gravitation intensive Arbeit an “string theories” um eine konsistente Theorie für quantisierte Gravitation zu finden; Modelle in viel- (z.B. 10-) dimensionalen Räumen mit “Kompaktifikation” der über 4 hinausgehenden Dimensionen.  Spekulationen über messbare Folgen eines Energieflusses von und nach den extra Dimensionen

sind diese Ideen nur ästhetische “Spiele” der Physiker ? NEIN grosses offenes Problem: - dunkle Materie - dunkle Energie  die LHC Experimente sollten viele dieser Fragen beantworten können...

halten wir LHC die Daumen..... ab 2007 sollte es spannend werden !