Supersymmetrischer Partner der CMB? Dunkle Materie= Supersymmetrischer Partner der CMB? 13.7 billion years Kosmologie 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 102s Teilchenphysik 10-12 s 10-34 s Zwei Beobachtungen: Hubble Expansion, CMB Teilchen: Beschleuniger erlauben Energiedichten, die ca. 1ps nach dem Urknall herrschten Elementarteilchen Urknall

Supersymmetry Symmetrie zwischen Fermionen  Bosonen (Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

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

Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

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 MG gültig. In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung G. Für Energien unterhalb von MXc2 ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen-gleichung der entsprechenden Untergruppe.

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

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, Z0, . 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 (IW = 1), elektrische Ladung (q=1/3 und q=4/3) und zwei Farbladungen.

Vereinigung der Kräfte SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen. Die Kopplungskonstanten werden gleich groß. Input SM SUSY Output Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991) Skalenverhalten: 1/i  logQ2 beruht auf radiativen Korrekturen 8

Running Coupling Constants

Running of Strong Coupling Constant

Vakuumenergie abstoßende Gravitation Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity  equivalent!

Possible Evolution of the Universe

Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym.

Proton decay expected in GUT’s

R-Parität 16

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. 17

Some production diagrams

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.

Thermische Geschichte der WIMPS T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate  Expansionsrate, i.e. =<v>n(xfr)  H(xfr) !) Thermal equilibrium abundance Actual abundance Comoving number density WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an. Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas! T=M/22 Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt. x=m/T

Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY  f Z W  0 ~ A Z Egret: WIMP 50-100 GeV WMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV) 

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

G.F. 5000 cm2 sr Exposure > 3 yrs dP/P2 ~ 0.004  2.5 TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps

AMS to be launched in 2010 Space Shuttle AMS

AMS on ISS

The AMS superconducting Magnet at CERN (2008) He Tank Coils

Magnet inside vacuum tank

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.

Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

Model of AMS-02 on ISS

Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

Example of SUSY production and decay chain

Prinzip eines Teilchendetektors

Transverse slice through CMS detector

CMS Collaboration

The Tracker Pixel endcap disks 214m2 of silicon sensors 11.4 million silicon strips 65.9 million pixels in final configuration! Pixel endcap disks

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)