Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 1 Vorlesung 12: Roter Faden: 1.Grand Unified Theories 2.Supersymmetrie 3.Vereinheitlichung aller Kräfte.

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1 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 1 Vorlesung 12: Roter Faden: 1.Grand Unified Theories 2.Supersymmetrie 3.Vereinheitlichung aller Kräfte 4.Baryon Asymmetrie 5.Neutralino als Kandidat der DM

2 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 2 Was ist eine Große Vereinheitlichte Theorie (Grand Unified Theorie, GUT) Was ist Supersymmetrie?

3 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 3 Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

4 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 4 Was ist SUSY? Supersymmetrie ist eine Boson-Fermion symmetrie, die es erlaubt alle Naturkräfte zu vereinheitlichen (inkl. Gravitation) SUSY kann in der Natur nur existieren, wenn es gleich viele Bosonen und Fermionen mit gleichen Wechsel- wirkungen gibt Verdoppelung des Teilchenspektrums (Waw, Eldorado für Experimentalphysiker) In modernen Theorien sind Teilchen Anregungen von Strings in 10-dimensionalem Raum (String theory)

5 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 5 One half is observed! One half is NOT observed! SUSY Shadow World

6 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 6 Teilchenmassen 100 - 2000 GeV ! Supersymmetrie

7 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 7 Grand Unified Theories Beachte: SM basiert auf Rotationssymmetrien, wie SU(n). (Symmetrie Unitaire mit nxn Matrizen). SU(n) hat daher n 2 -1 Eichbosonen (-1 durch die Unitaritätsbedingung). Lokale (Eich)symmetrie (engl. Gauge Symmetrie) verlangt Existenz dieser n 2 -1 Eichbosonen. Kleeblatt invariant unter globale SU(3) Rotationssymmetrie Lokale Eichinvarianz: drehe nur 1 Blatt. Invarianz nur wenn ich Info weitergebe durch Austauschteilchen, das dann die nächsten Blätter auch dreht.Oder Farbe ändert, wie bei Quarks. Brauche 9 Gluonen. Lin. Komb. rr+gg+bb inv.->8Gluonen

8 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 8 Grand Unified Theories Aber wie können solche unterschiedlich starke Kräfte vereinheitlicht werden? Antwort: sie sind gleich stark bei hohen Energien. Unterschied bei niedrigen Energie durch Quantenfluktuationen (QF)! Heisenberg lässt grüßen! Feld um ein elektrisch geladenes Teilchen reduziert durch Abschirmung der Elektron-Positron-Paare (Vakuumpolarisation) - + - - + - + - + - + - + - + - + Feld um ein farbgeladenes Teilchen reduziert durch Abschirmung der Quarkpaare, aber verstärkt durch Gluonpaare. Diese Anti- Abschirmung überwiegt. Daher Feld auf großem Abstand stärker als nackte Farbladung des Quarks!

9 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 9 Laufende Kopplungskonstanten Schlussfolgerung der Vakuumpolarisation: Elektromagn. WW nimmt zu bei hohen Energien. Feinstrukturkonstante 1/137 wird 1/128 bei LEP! Starke WW nimmt ab bei hohen Energien (= kleinen Abständen)-> Asymptotische Freiheit

10 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 10 Die Struktur des Protons Die drei Valenz Quarks des Protons werden zusammen- gehalten durch Gluonen (von engl. glue=Kleber). Diese Gluonen können für kurze Zeit in Quark-Antiquark Paare (See-Quarks) übergehen, die jedoch nach der Heisenbergsche Unschärferelation sofort wieder verschwinden. Daher braucht man beim LHC keine Antiprotonen, denn bei den hohen Energien haben viele der Seequarks genügend hohe Energien um Wechselwirkungen zu erzeugen. Heisenberg lässt grüßen!

11 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 11 Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren Elektrische Kraft Dichte der elektrischen Feldlinien 1/r 2 Photonen ungeladen keine Selbstkopplung Starke Kraft Dichte der Farbfeldlinien 1/r 2 +r durch Gluonselbstkopplung (Gluonen bilden Strings) Teilchen bilden sich entlang strings, wenn es energetisch günstiger ist, potentielle Energie in Masse umzuwandeln Jets von Teilchen entlang ursprünglicher Quark-Richtung EÜ*+üpmc2 E=mc 2

12 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 12 Running Coupling Constants

13 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 13 Running of Strong Coupling Constant

14 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 14 Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY Hinweis auf Physik Beyond the SM?

15 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 15 possible evolution of the universe

16 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 16 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.

17 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 17 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

18 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 18 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, 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.

19 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 19 Vereinigung der KräfteInput 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

20 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 20 Woher kommt die Masse ? Durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld??? THE CELEBRITY AT PARTY MODEL (quarks or leptons) THE rumour model (Higgs particle) Particle Mass determined by strength of interaction with higgs field SUCHE nach dem Higgs Boson wichtige Aufgabe für LHC

21 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 21 A quasi-political Explanation of the Higgs Boson Der britische Minister für Wissenschaft wollte wissen, wonach die Teilchenphysiker eigentlich suchen und forderte sie auf, ihm auf einer DIN A4-Seite zu erklären, was das Higgs-Boson ist. Hier ist die Erklärung von David Miller vom Department of Physics and Astronomy, University College, London, UK. The Higgs Mechanism Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbours. The ex-Prime Minister enters and crosses the room. All of the workers in her neighbourhood are strongly attracted to her and cluster round her. As she moves she attracts the people she comes close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal, that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving again because the clustering process has to be restarted. Higgs Mechanism

22 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 22 In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion – the clustering of the field around the particle - generates the particle's mass. The idea comes directly from the physics of solids. instead of a field spread throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms. When an electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free electron. The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless. Higgs Mechanism

23 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 23 The Higgs Boson Now consider a rumour passing through our room full of uniformly spread political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the details, then they turn and move closer to their next neighbours who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitary at the other side of the room. Since the information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to the ex-Prime Minister, then the rumour-carrying clusters also have mass. The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field. We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for giving other particles is true, if we actually see the Higgs particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of clustering without needing an electron to move and attract the atoms. These waves can behave as if they are particles. They are called phonons and they too are bosons. There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out. Higgs Mechanism

24 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 24 Higgs Mechanism

25 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 25 Higgs Mechanism predicted in Supersymmetry

26 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 26

27 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 27 Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one. Hence many models to explain Baryon Asym.

28 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 28 Proton decay expected in GUTs

29 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 29 R-Parität

30 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 30 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.

31 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 31 Some production diagrams

32 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 32 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.

33 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 33 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 =0.113 0.009 -> =2.10 -26 cm 3 /s DM nimmt wieder zu in Galaxien: 1 WIMP/Kaffeetasse 10 5. 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.

34 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 34 Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY Egret: WIMP 50-100 GeV WMAP: =2.10 -26 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) Neutralino Annihilations-Wirkungsquerschnitt wie erwartet für thermal relic (from H and )! Zufall?

35 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 35 Wie sieht SUSY Teilchenspectrum aus? Bulk Too large boostfactor for EGRET data Stau LSP h<114 LSP largely Bino DM may be supersymmetric partner of CMB Charginos, neutralinos and gluinos light WMAP EGRET Stau coannihilation m A resonance

36 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 36 Gauge unification perfect with SUSY spectrum from cosmology With SUSY spectrum from cosmology and start values of couplings from final LEP data perfect gauge coupling unification! Update from Amaldi, dB, F ü rstenau, PLB 260 1991 SM SUSY NO FREE parameter

37 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 37 Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

38 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 38 Example of SUSY production and decay chain

39 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 39 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)