30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 1 Vorlesung 12: Roter Faden: 1.Grand Unified Theories 2.Vereinheitlichung aller Kräfte 3.Baryon Asymmetrie 4.Nachweis der Supersymmetrie

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 2 Was ist eine Große Vereinheitlichte Theorie (Grand Unified Theorie, GUT) Was ist Supersymmetrie?

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 3 Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 4 Teilchenmassen GeV ! Supersymmetry Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie)(Kraftteilchen)

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 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.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 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

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 7 Eichbosonen in der SU(5) Fundamentale Darstellung: 5 und 5* Anzahl der Generatoren = 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.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 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

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 9 Running Coupling Constants

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 10 Running of Strong Coupling Constant

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 11 possible evolution of the universe

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 12

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 13 Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 14 Proton decay expected in GUTs

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 15 R-Parität

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 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.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 17 Some production diagrams

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 18 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 gleiche Größenordnung wie Expansionsrate.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 19 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 = > = cm 3 /s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 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 Annihilationrate Expansions- rate, 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.

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 20 Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY Egret: WIMP GeV WMAP: = 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)

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 21 Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 22 Example of SUSY production and decay chain

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 23 Prinzip eines Teilchendetektors

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 24 Transverse slice through CMS detector

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 25 CMS Collaboration

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 26 Pixel endcap disks 214m 2 of silicon sensors 11.4 million silicon strips 65.9 million pixels in final configuration! The Tracker

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 27 Model of AMS-02 on ISS AMS-02

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 28 Model of AMS-02 on ISS

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 29 AMS-02 Particle Identification

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 30 Expected rates in AMS-02

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 31 AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 32 During launch acceleration up to 9 g The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!) Temperature variations between – degree Celsius Maximum degasing on ISS: < g/s/cm 2 Maximum weight lbs Cost: $/lbs Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of weight). Cooling without gravity? Experimental constraints for experiments on the ISS

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 33 AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 34 Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 35 Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet: Vereinheitlichung aller Kräfte mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie 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)

30 Jan Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 36 AUSBLICK Hoffnung: Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen, woher Ihre Masse kommt Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt Wir verstehen 27% der Energie des Universums statt bisher 4% IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei! (Higgsgruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe)