3. Was bringt die Zukunft ? Was ist spontane Symmetriebrechung? Horizonte der Teilchenphysik 3. Was bringt die Zukunft ? Was ist spontane Symmetriebrechung? Was ist Supersymmetrie ? Was sind die „heißen“ Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie?

(inspired by Prof. Miller / University College London)   Die „neue“ Physik Das Higgs-Teilchen Standardmodell „funktioniert“ nur mit ursprünglich masselosen Teilchen! Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld Durch spontane Symmetriebrechung ist das gesamte Universum von diesem Higgs-Feld durchdrungen „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, deren Nachweis am LHC / CERN in einigen Jahren gelingen soll Higgs Cartoon (inspired by Prof. Miller / University College London) Spontane Symmetriebrechung heißes Universum (kurz nach Urknall) Energie Teilchen sind masselos die Massen der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei ist aber die Masse keine vorgegebene Eigenschaft der Teilchen, sondern ergibt sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos! die Masse entsteht durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld  Cartoon: Je nach „Gewichtigkeit“ einer berühmten Person wird sie durch die Aufmerksamkeit der anwesenden anderen Gäste (dem „Higgs-Feld“) mehr oder weniger stark am Fortkommen gehindert  Trägheit (= Masse) entsteht. dieser Mechanismus erfordert natürlich die allgegenwärtige Existenz eines Higgs-Felds im ganzen Universum – würde es an irgendeiner Stelle fehlen, wäre jede Materie dort plötzlich masselos! Die Entstehung eines solchen Feldes wird durch den Effekt der „spontanen Symmetriebrechung“ erklärt – einer Art Phasenübergang von einem symmetrischen in einen asymmetrischen Zustand, ähnlich der spontanen Magnetisierung (Ausrichtung der Elementarmagnete) unterhalb einer kritischen Temperatur. Die „Richtung“, in die sich dabei das Higgsfeld ausrichtet ist dabei durch die Theorie nicht vorgegeben – aber irgendeine Richtung „setzt sich durch“, und bricht damit (spontan) eine Symmetrie der zugrundeliegenden Theorie. Der Wert des Higgsfeldes am erreichten (lokalen) Minimum heisst „Vakuumerwartungswert v“, alle Teilchenmassen sind proportional zu diesem v. Ein allgegenwärtiges Feld kann man nur nachweisen, indem man es in Schwingungen versetzt – diese Schwingungen entsprechen dann den Higgs-Quanten, die man bei den momentan in Bau befindlichen Experimenten am neuen Beschleuniger LHC des CERN in einigen Jahren nachweisen will. Ein Nachweis des Higgs-Teilchens wäre ein wichtiges Puzzlestück in dem so überaus bewährtem Standardmodell – trotzdem bleiben einige Fragen (woraus besteht die dunkle Materie, warum gibt es drei Generationen von Teilchen, u.s.w.) offen. Die Antworten können nur durch Einbettung des Standardmodells in eine größere, erweiterte Theorie, wie z.B. die im Anschluss kurz besprochene Supersymmetrie, gegeben werden. kaltes Universum (kondensiert in einen asymmetrischen Zustand mit Higgsfeld) Teilchen haben nun Masse Higgsfeld v

Der Weg zur allumfassenden Theorie? Die „neue“ Physik Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe. Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge (Mathematikerin Emmy Noether 1918). Ein Bespiel ist der Neutronzerfall in ein Proton, Elektron und Antielektron-Neutrino: Energieerhaltung: mn > mp + me (1.00867 u > 1.00727 u + 0.00055 u) Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – 1 + 0 Erhaltung der Baryonzahl: +1 = +1 + 0 + 0 Erhaltung der Leptonzahl: 0 = 0 + 1 - 1

SUSY Zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen  Die „neue“ Physik SUSY Bosonen Fermionen Zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein super-symmetrisches Partnerteilchen In einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklich supersymmetrisch ist, muss es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen geben. Hinweise für Experten: Streng genommen existiert nicht zu jedem Standardmodell-Teilchen ein supersymmetrischer Partner, sondern zu jedem Freiheitsgrad des Standardmodells ein Partnerfreiheitsgrad. Im Standardmodell gibt es nur ein ungeladenes physikalisches Higgs-Boson. In supersymmetrischen Theorien existieren mehr Higgs-Bosonen. Z.B. im einfachsten Modell, MSSM (Minimal Supersymmetric Extension of the Standard Model) genannt, gibt es fünf Higgs-Bosonen, drei ungeladene und zwei geladene. SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.

SUSY-Teilchen im Experiment  Die „neue“ Physik SUSY-Teilchen im Experiment SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Oben im linken Bild sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. Es kollidieren frontal zwei Protonen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit und erzeugen ein Gluino und ein Squark. Das Gluino zerfällt dann in ein Squark und ein Quark, u.s.w.. Dieser so genannte Kaskadenzerfall endet in zwei Quarks, ein Elektron, ein Antielektron-Neutrino und ein stabiles supersymmetrisches ungeladenes Teilchen mit dem Namen Neutralino. Dieses ist der attraktivste Anwärter für die “Dunkle Materie”. Das produzierte Squark durchläuft ebenfalls einen Kaskadenzerfall mit einem Quark, einem Müon, einem Antimüon und wiederum einem Neutralino als Endprodukte. Rechts sieht man die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor. Die zwei vom Gluino kommenden Quarks bilden einen “jet”(*), das vom Squark stammende einen zweiten. (*) Ein “jet” besteht aus einer großen Anzahl einzelner Teilchen, die sich in ungefähr gleicher Richtung bewegen ( im obigen Bild rot dargestellt), und entsteht, weil Quarks nicht einzeln existieren können (“confinement”) und deswegen mit aus dem Vakuum entstehenden Quark-Antiquark-Paaren gebundene Zustände (Baryonen, Mesonen) bilden. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik Die „neue“ Physik Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) Wie bekommen die Teilchen eine Masse - durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen? Warum sind diese Massen so unterschiedlich? Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen. Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation? Anmerkung: die Gravitation nimmt noch immer eine Sonderstellung ein, da man bis heute nicht weiß, ob es analog zu den anderen drei fundamentalen Kräften auch ein Kräfteteilchen (das Graviton) gibt ( Quantengravitation).

Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik Die „neue“ Physik Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? (Stringtheorie, …) Anmerkung: die Gravitation nimmt noch immer eine Sonderstellung ein, da man bis heute nicht weiß, ob es analog zu den anderen drei fundamentalen Kräften auch ein Kräfteteilchen (das Graviton) gibt ( Quantengravitation).

? Elektromagnetische Kraft Elektroschwache Kraft schwache Kraft Große Horizonte der Teilchenphysik Elektromagnetische Kraft Elektroschwache Kraft schwache Kraft Große Vereinigung starke Kraft Es gibt vier verschiedene fundamentale Kräfte in der Natur Elektromagnetische Kraft. Elektrizität, Magnetismus, Licht Schwache Kraft: Schwache Kernkraft Zerfall von Atomkernen Starke Kraft: Starke Kernkraft, Bindung von Atomkernen Schwerkraft: Wirken zwischen Himmelskörpern Unserer derzeitige Standardtheorie besagt folgendes: Bei höheren Temperaturen kann die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft zur elektroschwachen Kraft vereinigt werden. Bei noch höheren Temperaturen vereinigt sich auch noch die starke Kraft mit der elektromagnetischen Kraft zur so genannten Großen Vereinigung. Es ist jedoch bis jetzt noch nicht gelungen, die Große Vereinigung von elektromagnetischer, schwacher und starker Kraft bei noch höheren Temperaturen der zur so genannten Theorie für Alles zu vereinigen. Solche hohe Temperaturen gab es im Universum ganz zu Beginn beim Urknall (bis 10-43 Sekunden nach dem Urknall). Weil wir eine „Theorie für Alles „ (noch) nicht kennen, ist es auch noch nicht möglich, den Beginn unseres Universums durch eine Theorie zu beschreiben. Theorie für Alles ? ? Schwerkraft