Fritz Zwicky Virialsatz Vera Rubin - theorie2.physik.uni...

Fritz Zwicky Virialsatz

v2 =

GM

r

v ∝√

1

r

Vera Rubin

Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 1

Suche nach Dunkler Materie am LHC

Dr. Carsten Hensel

Physikalisches Institut, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

16. Juni 2012


• Dunkle Materie

• Supersymmetrie

• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC

• Zusammenfassung


• Dunkle Materie• Evidenz für Dunkle Materie• Erklärungsansätze für Dunkle Materie

• Supersymmetrie


• Zusammenfassung


Evidenz für Dunkle MaterieDunkle Materie

Rotationskurven Gravitationslinsen

Bullet Cluster Cosmic Microwave Background


GravitationslinsenDunkle Materie


EinsteinringeDunkle Materie


Berechnung der MasseDunkle Materie

Öffnungswinkel Θ:

Θ =

√

4GM

c2LO

EO · EL


Bullet ClusterDunkle Materie


Zeitachse des UniversumsDunkle Materie


Kosmische HintergrundstrahlungDunkle Materie

WMAP

• durchschnittliche Temperatur 2.725 K (grün)• Temperaturschwankungen: ±0.0002 K


Leistungsspektrum derTemperaturschwankungen Dunkle Materie


Energiebilanz des UniversumsDunkle Materie


Erklärungsansätze für Dunkle MaterieDunkle Materie

• MOND (Modifizierte Newtonsche Dynamik)• erkläre Rotationsverhalten von Galaxien durch modifizierte

Newton Dynamik

F = ma ⇔ F = mµ(a/a0)a

mit

µ(x) = 1 für x ≫ 1

µ(x) = x für x ≪ 1

• erklärt nicht Separation von Baryonischer Materie undDunkler Materie im Bullet Cluster


Erklärungsansätze für Dunkle Materie IIDunkle Materie

• MACHOs (MAssive Compact Halo Object)• "kleine" Ansammlungen baryonischer Materie• Planeten, Neutronensterne, Braune Zwerge, schwache

Rote Zwerge, kleine schwarze Löcher• Vermessung über Mikro-Gravitationslinsen• MACHOs ausgeschlossen als Dunkle Materie für Objekte

mit Massen zwischen 10−8 M⊙ und 100M⊙

(M⊙ ≃ 1, 989× 1030kg)


RekapitulationDunkle Materie

• Dunkle Materie reflektiert oder emitiert keineelektromagnetische Strahlung.

• Struktur des Universums ↔ nicht-relativistische DunkleMaterie bevorzugt (Cold Dark Matter/CDM)

• Primordiale Nukleosynthese(Big Bang nucleosynthesis/BBN)schließt baryonische Dunkle Materieaus.

• Inhalt des Universums:• 5% ’normale’ Materie• 23% Dunkle Materie• 72% Dunkle Energie

• Natur der Dunklen Materie:unbekannt


• Dunkle Materie• Supersymmetrie

• Das Standard Modell der Teilchenphysik• Status des Standard Modells• Supersymmetrie – Eine Einführung• Bausatz des MSSM• MSSM Phänomenologie


• Zusammenfassung


Das ReduktionsprinzipSupersymmetrie

• Vielzahl von organischen und anorganischenVerbindungen kann auf einige wenige Bauteilezurückgeführt werden


Die Bausteine der MaterieSupersymmetrie


Fundamentale WechselwirkungSupersymmetrie

Elektromagnetische WW Starke WW

Schwache WW Gravitation


Das Standard Modell der TeilchenphysikSupersymmetrie


Die Natur der Dunklen MaterieSupersymmetrie

Könnte eines unserer Standard Modell Teilchen als DunkleMaterie indentifiziert werden?

Die Teilchen des SM Eigenschaften derDunklen Materie

• stabil

• nicht-baryonisch

• nicht-relativistisch

• nur schwachwechselwirkend


Das Standard Modell der TeilchenphysikSupersymmetrie

Erfolge

Measurement Fit |Omeas−Ofit|/σmeas

0 1 2 3

0 1 2 3

∆αhad(mZ)∆α(5) 0.02758 ± 0.00035 0.02766

mZ [GeV]mZ [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1874

ΓZ [GeV]ΓZ [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4957

σhad [nb]σ0 41.540 ± 0.037 41.477

RlRl 20.767 ± 0.025 20.744

AfbA0,l 0.01714 ± 0.00095 0.01640

Al(Pτ)Al(Pτ) 0.1465 ± 0.0032 0.1479

RbRb 0.21629 ± 0.00066 0.21585

RcRc 0.1721 ± 0.0030 0.1722

AfbA0,b 0.0992 ± 0.0016 0.1037

AfbA0,c 0.0707 ± 0.0035 0.0741

AbAb 0.923 ± 0.020 0.935

AcAc 0.670 ± 0.027 0.668

Al(SLD)Al(SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1479

sin2θeffsin2θlept(Qfb) 0.2324 ± 0.0012 0.2314

mW [GeV]mW [GeV] 80.392 ± 0.029 80.371

ΓW [GeV]ΓW [GeV] 2.147 ± 0.060 2.091

mt [GeV]mt [GeV] 171.4 ± 2.1 171.7

Präzision bis zu 10−9

(g − 2 electron)

Probleme

VereinigungEichkopplungenunwahrscheinlich

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Log 10(Q/1 GeV)

0

10

20

30

40

50

60

α−1

α1

−1

α2

−1

α3

−1

SM

Higgs (Masse)2

quadratisch divergent→ erfordert fine-tuning(Hierarchie Problem)


Einführung in SupersymmetrieSupersymmetrie

• Grundsätzliche Idee der Supersymmetrie:Grundgesetze der Natur sind invariant beim Austausch vonFermionen und Bosonen!

• Supersymmetrie ist eine Symmetrie, die Fermionen undBosonen miteinander verknüpft:

Q|fermion〉 = |boson〉 Q|boson〉 = |fermion〉

• Jedes Teilchen hat einen Superpartner, der sich beiungebrochener Symmetrie nur im Spin unterscheidet.


Die Minimal Supersymmetrische Erweiterungdes Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie

Der MSSM Teilcheninhalt

Kandidat für Dunkle Materie• leichtestes SUSY Teilchen (LSP)

• neutralino (χ̃01) =

photino ⊕ zino ⊕ higgsino• stabil• nicht-baryonisch• nicht-relativistisch• nur schwach ww

MSSM Eigenschaften

• Vereinigung derEichkopplungen

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Log 10(Q/1 GeV)

0

10

20

30

40

50

60

α−1

α1

−1

α2

−1

α3

−1

MSSM

SM


• kein Hierarchieproblem


Die Minimal Supersymmetrische Erweiterungdes Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie

Der MSSM Teilcheninhalt

Kandidat für Dunkle Materie• leichtestes SUSY Teilchen (LSP)

• neutralino (χ̃01) =

photino ⊕ zino ⊕ higgsino• stabil• nicht-baryonisch• nicht-relativistisch• nur schwach ww

MSSM Eigenschaften


2 4 6 8 10 12 14 16 18

Log 10(Q/1 GeV)

0

10

20

30

40

50

60

α−1

α1

−1

α2

−1

α3

−1

MSSM

SM


• kein Hierarchieproblem


SUSY-BrechungSupersymmetrie

• Bisher keine SUSY-Teilchen entdeckt.

• SUSY-Teilchen sind schwerer als ihre SM Partnerteilchen.

• SUSY muss eine gebrochene Symmetrie sein.

• Beschreibung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuenParametern…


SUSY-BrechungsszenarienSupersymmetrie

• mSUGRA (minimal Supergravity)• Gravitation vermittlet zwischen Hidden-Sektor und MSSM• Vereinigung der Gaugino-Massen an der GUT-Skala• Vereinigung der Yukawa-Kopplungen an der GUT-Skala• Vereinigung der Sfermion-Massen• Modell-Parameter:

m0 gemeinsame Masse der Skalarem 1

2gemeinsame Gaugino/Higgsino Masse

A0 trilineare Higgs-Sfermion-Sfermion-Kopplungtanβ Verhältnis der Higgs vev


RekapitulationSupersymmetrie

• Supersymmetie Erweiterungen des SM

• ’Fundamentaler’ als das SM

• "Lösung" vieler SM-Probleme

• einfachste Erweiterung: MSSM

• Supersymmetrie keine exakte Symmetrie

• Parametrisierung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuenParametern

• Einschränkung des Parameterraums durch zusätzlicheAnnahmen:

• mSUGRA• GMSB• AMSB


• Dunkle Materie

• Supersymmetrie• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC

• Der Large Hadron Collider (LHC)• Das ATLAS-Experiment• Messungen am LHC• Suche nach Dunkler Materie am LHC

• Zusammenfassung


Suche nach Supersymmetrischen TeilchenSuche nach Supersymmetrischen Teilchen

• LSP gleichmäßig im All verteilt. Können auf Detektoren aufder Erde treffen. Energieverlust bei Wechselwirkung mitAtomkern 10-100 keV

• Suche nach Zerfallsprodukten der LSP-Vernichtung(Überschuss an Positronen)

• Produktion und Nachweis an Collider-Experimenten.


Der Urknall im LaborSuche nach Supersymmetrischen Teilchen


CERNSuche nach Supersymmetrischen Teilchen

• Europäisches Labor fürTeilchenphysik

• gegründet 1954

• 20 Mitgliedsstaaten

• mehr all 9000Wissenschaftler

• aus über 100 Nationen


Der Large Hadron Collider (LHC) ISuche nach Supersymmetrischen Teilchen


Der Large Hadron Collider (LHC) IISuche nach Supersymmetrischen Teilchen


Der Large Hadron Collider (LHC) IIISuche nach Supersymmetrischen Teilchen

• Proton-Proton-Beschleuniger

• 27 km lang, 100 m tief

• Schwerpunktsenergie:√s = 14 TeV

• 4 Experimente (Detektoren): ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b


Das ATLAS-ExperimentSuche nach Supersymmetrischen Teilchen

• Durchmesser/Länge:24 m/ 46 m

• Gewicht: 7000 t

• Kollaboration:

• 35 Länder• 165 Institute• 1900 Mitarbeiter


Suche nach SupersymmetrieSuche nach Supersymetrischen Teilchen

SUSY Zerfallskette SUSY Signatur

• fehlende Energie,MET (smoking gun)

• high-pT Jets

• high-pT Leptonen

Suche nach Überschuss


LSP

Messung der LSP-MasseSuche nach Supersymetrischen Teilchen

SUSY Zerfallskette

Berechne Invariante Masse

mℓ1ℓ2=m

maxℓ1ℓ2

√1/2(1−cos θℓ1ℓ2 )

max. für ℓ1ℓ2 back-to-back im

ℓ̃R-Ruhesystem

Bestimme Endpunkt des Spektrums:

mmaxℓ1ℓ2

=√

(m2χ̃02

−m2ℓ̃R

)(m2ℓ̃R

−m2χ̃01

)/m2ℓ̃R

SUSY Signatur

• fehlende Energie,Emiss

T (smoking gun)

• high-pT Jets

• high-pT Leptonen

Invariante Masse

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 20 40 60 80 100

mll (GeV)


LSP

Suche nach Dunkler MaterieSuche nach Supersymetrischen Teilchen

• LSP ⇔ Dunkle Materie?

• LSP-Masse alleine genügt nicht

• Bestimmung der "Relic-Density" nötig

• Wie sehen die SUSY-Parameter aus?

• zwei Ansätze• Messung aller Kopplungen+ Modellunabhägig- am LHC: schwierig• vermesse Massenspektrum+ einfacher- Modellabhängig


Definition: Das Inverse ProblemSuche nach Supersymetrischen Teilchen

Das Problem

Best Case

Worst Case


• Dunkle Materie

• Supersymmetrie


• Zusammenfassung


• Inhalt des Universums:5% "normale" Materie, 25% Dunkle Materie

• Dunkle Materie-"Problem": seit 75 Jahre bekannt.• Supersymmetrische Theorien sagen einen fast natürlichen

Kandidaten für Dunkle Materie voraus• Sollte SUSY in der Natur realisiert sein, werde wir SUSY

am LHC finden.• Test der kosmologischen Relevanz von SUSY stellt eine

große Herausforderung dar.• Die nächsten Jahre werden spannend. Sowohl für die

Teilchenphysik, als auch die Kosmologie.Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 46

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