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

Neue Physik jenseits des Standardmodells Inhalt Zusätzliche Raumdimensionen (LXD) Einführung Theorie Gravitationsexperimente Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ausblicke 27.03.2017 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 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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? 27.03.2017 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 27.03.2017 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! 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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: 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Summe über alle gespiegelten Massen Kompensiert die senkrechten Kraftanteile Abstand der Massen 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für mehr als eine Extradimension enthält die Formel einige zusätzliche Summen: 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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: 27.03.2017 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) 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Ziel von ADD: Lösung des Hirarchie-Problems mEW ~ M4+n Kopplungskonstanten (Stärke einer Wechselwirkung): Stark αs 1 Elektromagnetisch α 1/137 Schwach αW(E) 10-6 Gravitation αg 10-39 ~α für hohe Energien Planckmasse Aus Dimensionsbetrachtungen erhält man: 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Gravitation in unserer Welt: Neue, verallgemeinerte Kopplungskonstante: Konstante 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell n 1 2 3 4 5 6 R/m 1013 10-3 10-8 10-11 10-13 10-14 Falls es aufgerollte Raumdimensionen gibt, so müssen es mindestens 2 sein. Dieser Ansatz reproduziert unser bisheriges Wissen und lässt gleichzeitig Raum für neue Interpretationen. 27.03.2017 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 ~ mEW n >= 2 n 1 2 3 4 5 6 R/m 1013 10-3 10-8 10-11 10-13 10-14 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente Schwierigkeiten Torsionswaagen Resonanz-Frequenz-Techniken 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Für r~R kann die Abweichung von der üblichen 1/r2-Abhängigkeit gut durch einen Yukawa-Term beschreiben werden. r << R r ~ R r >> R ~1/r2+n Yukawa ~1/r2 Messungen werden in einem solchen Graphen veröffentlicht. 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen 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 A2 Insgesamt: Schwächung der Kraft um Faktor A-4 Verkleinerung der Anordnung auf die Hälfte  Schwächung der Kraft auf 1/16 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Problem Lösungsansatz Elektrische und magnetische Untergrundeffekte Elektrische Abschirmung und nicht-magnetische Materialien Akustische und seismische Vibrationen Abschirmung und Dämpfung des Versuchsaufbaus Thermisches Rauschen Gekühlte Systeme Van der Waals – Kräfte Sind extrem klein, werden in der Theorie berücksichtigt Casimir-Kräfte Abschirmende Materialien 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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 1cm2 Fläche und Abstand 1μm: 10-7 N 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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, 2001 1mm 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/r2 Abhängigkeit wird „gelöscht“ 20 μm Beryllium-Folie zwischen Masse Dünne Goldschicht auf allen Teilen Dämpfung 1.5 cm 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich 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, 2003 100 μm x 100 μm x 1mm 50 μm x 50 μm x 30 μm 1 mg Gold auf Trägerarm (Testmasse) Quellmasse aus Silizium mit Goldstreifen Quellmasse schwingt mit Resonanzfrequenz des Trägers (300 Hz). - Resultierende Kraft: Atto-Newton (10-18N) Auslenkung: einige Angstrom, vermessen mit Interferometer Abmessung Träger: 150 μm lang, 0.3 μm dick 27.03.2017 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 27.03.2017 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 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 35 cm 27.03.2017 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 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Effekte am Tevatron Emission von Gravitonen in Extra-Dimensionen Das Signal: fehlende Transversalenergie zusammen mit einem hochenergetischen Jet. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Veränderung des Wirkungsquer-schnittes für Di-Lepton und Di-Photon Produktion 27.03.2017 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 27.03.2017 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 ET(j2) < 50 GeV vorhanden sein (ISR und FSR) Events mit einem Myon werden aussortiert (W/Z-Produktion und kosm. Strahlung) 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Kriterium Ereignisse übrig Qualität (z.B. hot cells) 301325 Isoliertes Myonen Veto 1 (Myonensystem) 296742 141 (falsch gemessen Jets) 129 Kosmische Strahlung 69 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 M4+n = (600 .. 1400) GeV 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Untergrund Ereignisse 21.0 ± 5.1 3.1 ± 0.7 5.2 ± 2.3 QCD und kosm. Effekte 7.8 ± 7.1 Gesamter Untergrund 38.0 ± 9.6 Daten 38 Keine Bestätigung von ADD in diesem Bereich! Aber… 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern …neue Grenzen des Modells: Unteres Limit für M4+n n 2 3 4 5 6 7 M4+n/TeV 0.89 0.73 0.68 0.64 0.63 0.62 Auch die Experimente am LEP konnten keine Extra-Dimensionen nachweisen 27.03.2017 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. 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Virtueller Gravitonenaustausch Neue Physik wird durch einen Zusatzterm in Wirkungsquerschnitt beschrieben: 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ergebnisse des virtuellen Graviton-Austausches Low Scale Gravity 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Zusätzliche Raumdimensionen Experimente Zusammenfassung Direkte Messung der Gravitation konnte für n=2 M4+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 M4+n aber eingrenzen 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

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: FG > FEM möglich Produktion von Micro Black Holes Nachweis über Hawking-Strahlung Untersuchung von Schwarzen Löchern g 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells

Neue Physik jenseits des Standardmodells Ende Teil 1 27.03.2017 Neue Physik jenseits des Standardmodells