Neue Physik am LHCDie Erwartungen und Hoffnungen der theoretischen Physik,

und was das alles mit Urknallund Schwarzen Löchern zu tun haben kann

Anton REBHAN

Institut für Theoretische Physik

Ziele des LHC

1. Suche nach neuen Elementarteilchen, die so hohe Masse haben, dasssie das erste Mal (seit dem Urknall) am LHC produziert werden können

2. Schwerionenprogramm (ab 2.Jahr):Produktion des (bereits nachgewiesenen) Quark-Gluon-Plasma,der “Ursuppe” des Urknall

Ziele des LHC

1. Suche nach neuen Elementarteilchen, die so hohe Masse haben, dasssie das erste Mal (seit dem Urknall) am LHC produziert werden können

2. Schwerionenprogramm (ab 2.Jahr):Produktion des (bereits nachgewiesenen) Quark-Gluon-Plasma,der “Ursuppe” des Urknall

Standardmodell der Teilchenphysik

Alle bekannten Elementarteilchen (hunderte!) aus diesen aufgebaut

Nur Higgs-Teilchen noch unentdeckt

Warum 3 Generationen von Quarks und Leptonen?Nobelpreisträger I. Rabi nach der Entdeckung des Muons (2. Generation):

“Who ordered that?”

Kobayashi & Maskawa 1973:CP-Verletzung braucht 3. Generation von Quarks und Leptonen!Sacharow: Ohne CP-Verletzung bleibt nach dem Urknall keine Materie übrig!Kleiner Überschuss (1:10 Milliarden) von Materie gegenüber Antimaterie im frühen Universum gibt alle jetzige

Materie!

Warum 3 Generationen von Quarks und Leptonen?

Kobayashi & Maskawa 1973:CP-Verletzung braucht 3. Generation von Quarks und Leptonen!Sacharow: Ohne CP-Verletzung bleibt nach dem Urknall keine Materie übrig!Kleiner Überschuss (1:10 Milliarden) von Materie gegenüber Antimaterie im frühen Universum gibt alle jetzige

Materie!

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden JahrenHeutige (sichtbare) Ausdehnung (Hubble-Radius): ungefähr gleich vielLichtjahre

Hubble-Ultra-Deep-Field Aufnahme mit etwa 10.000 Galaxien(6× 6 Bogenminuten im Sternbild Fornax)

Die rötesten (z = 12) sind an die 13 Milliarden Lichtjahre entfernt!

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen, Photonen undProtonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden JahrenI 380.000 Jahre nach dem Urknall

war das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 KJetzt noch direkt sichtbar als kosmischer 2.7 K Mikrowellenhintergrund!

WMAP-Satellitenbilder des kosmischen Mikrowellenhintergrund

mit Temperaturfluktuationen∼ 20µK

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Standardmodell der KosmologieI Das Universum expandiert seit dem

Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren

I 380.000 Jahre nach dem Urknallwar das Universum ein dichtes Plasma aus Elektronen,Photonen und Protonen mit T ≈ 3000 K

I Während der ersten paar Minuten nach dem Urknall:Nukleosynthese (Kernfusion) von leichten Elementen

Übereinstimmung von beobachteten leich-ten Elementen und kosmologischen Para-metern brauchtDark Matter

= Teilchenjenseits des Standardmodells (SUSY?)Verhältnis Dunkle Materie : gewöhnlicheMaterie = 5:1

Weitere Motivation für SUSY: Grand UnificationStärken der 3 Fundamentalkräftestreben bei höheren Energien ver-dächtig aufeinander zu,

treffen sich fast bei etwa10000000000facher LHC-Energie

Gemeinsame Ursache für 3 Fun-damentalkräfte: SU(5) ?Proton lebt “nur” mehr≈ 1032 Jahreexperimentell widerlegt: > 5× 1033 Jahre

↑ ↑LEP LHC

Supersymmetrie:verändert die Energieabhängigkeitder Wechselwirkungsstärkenund gibt ziemlich präsise Ver-einheitlichung bei etwas höherenEnergien

SU(5)→ Protonlebensdauer≈ 1034 Jahre!↑ ↑LEP LHC

Weitere Motivation für SUSY: Grand UnificationStärken der 3 Fundamentalkräftestreben bei höheren Energien ver-dächtig aufeinander zu,

treffen sich fast bei etwa10000000000facher LHC-Energie

Gemeinsame Ursache für 3 Fun-damentalkräfte: SU(5) ?Proton lebt “nur” mehr≈ 1032 Jahreexperimentell widerlegt: > 5× 1033 Jahre

Supersymmetrie:verändert die Energieabhängigkeitder Wechselwirkungsstärkenund gibt ziemlich präsise Ver-einheitlichung bei etwas höherenEnergien

SU(5)→ Protonlebensdauer≈ 1034 Jahre!↑ ↑LEP LHC

10 DimensionenSeit 1983 intensiv studierte spekulative Theorie:

Superstringtheorie: bei 100-1000mal der Energie für dieSUSY-Grand Unification (selbst 1013 mal LHC-Energie)

I Vereinigung mit der Quantengravitation durch Superstringsin 6 zusätzlichen Raumdimensionen

I 6 Extra-Dimensionen so eng “aufgerollt”, dass man sie biszu diesen Energieskalen nicht direkt beobachten kann

“normale” Superstringtheorie sagt (leider) keine mikroskopischen schwarzenLöcher am LHC vorher

10 Dimensionenmit mikroskopischen schwarzen Löchern

Brane-World scenario:I Wenn Gravitation in 10 Dimensionen existiert undI wenn Extra-Dimensionen nicht so eng aufgerollt sind, undI wenn alle andere Materie davon unabhängig in 4 Dimensionen

gefangen ist (brane world)

könnte die Quantengravitation stark genug sein, und bereits am LHC eineRolle spielen, und (extrem kurzlebige) Mikro-Schwarze Löcher liefern(Hawking-Strahlung)

Wunschtraum jedes Theoretikers: Der “Heilige Gral” Quan-tengravitation am LHC studierbar!

Konsequenz für Teilchendetektoren:ungewöhnlich kugelsymmetrische Zerfallsprodukte

Gefahr durch mikroskopische Schwarze Löcher?Falls die Theoretiker mit diesen Spekulationen unverschämtGlück haben, und es mikroskopische Schwarze Löcher, die amLHC erzeugt werden könnten, geben sollte,aber diese entgegen aller Theorie nicht sofort wieder zerfallen?

Könnten die nicht wachsen und uns gefährlich werden?

EntwarnungAnzahl an LHC-Experimenten, die die Natur an Erde und anderen Himmelskörpern in

der Vergangenheit schon ausgeführt hat:

I Kosmische Strahlungbombardiert Erde undandere Himmelskörper mitviel höheren Energien

I mindestens 10 MillionenLHC-Äquivalente über dieErdgeschichte

I Weiße Zwerge undNeutronensterne würdenauch hypothetische neutraleund stabile mikroskopischeschwarze Löcher einfangen

s. M.E.Peskin, http://physics.aps.org/articles/v1/14

Die erste Sekunde des Urknalls:I < 1 Sekunde nach dem Urknall:

T > 1010K (= 500 T�) – zu heiß für Atomkerne:Plasma aus Photonen, Neutrinos, Elektronen, Positronen(mit kleiner “Verunreinigung” von Nukleonen)

I < 10 µsec nach dem Urknall:T > 2× 1012K (= 100.000T�)Photon-Lepton-Plasma + Quark-Gluon-Plasma(Nukleonen aufgelöst im Quark-Gluon-Plasma)

Die erste Sekunde des Urknalls:I < 1 Sekunde nach dem Urknall:

T > 1010K (= 500 T�) – zu heiß für Atomkerne:Plasma aus Photonen, Neutrinos, Elektronen, Positronen(mit kleiner “Verunreinigung” von Nukleonen)

I < 10 µsec nach dem Urknall:T > 2× 1012K (= 100.000T�)Photon-Lepton-Plasma + Quark-Gluon-Plasma(Nukleonen aufgelöst im Quark-Gluon-Plasma)

Quark-Gluon-Plasma

Confinement⇒Quarks sind immer zu dritt oder zweit aneinandergebunden

Je näher man zum Anfang des Urknalls kommt, umso dichter wird die Materie

−→. . . bis die Dichte so hoch ist,

dass die Quarks nicht mehr wissen, an wen sie genau gebunden sind(Asymptotische Freiheit; Deconfinement)

Quark-Gluon-Plasma

Confinement⇒Quarks sind immer zu dritt oder zweit aneinandergebunden

Je näher man zum Anfang des Urknalls kommt, umso dichter wird die Materie

−→. . . bis die Dichte so hoch ist,

dass die Quarks nicht mehr wissen, an wen sie genau gebunden sind(Asymptotische Freiheit; Deconfinement)

Experimentelle Überprüfung?Möglichst viel Hadronen bei möglichst hohen Energienkomprimieren:

Schwerionenkollisionen im Teilchenbeschleuniger!

RHICUltra-Relativistic Heavy Ion ColliderBrookhaven National Lab, Long Island (NY), seit 2000

4 Experimente: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STARAu+Au-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie 200 GeV/A

RHICUltra-Relativistic Heavy Ion ColliderBrookhaven National Lab, Long Island (NY), seit 2000

4 Experimente: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STARAu+Au-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie 200 GeV/A

Little BangGold-Ionen kollidieren bei 200 GeV/A (Lorentz-kontrahiert mit γ > 100)

Quark-Gluon-Plasma während ein paar fm/c ∼ 10−23 sec

,danach “Hadronisierung”

Tausende Teilchenspuren im STAR-Detektor

nur indirekte Information über Quark-Gluon-Plasma!

Little BangGold-Ionen kollidieren bei 200 GeV/A (Lorentz-kontrahiert mit γ > 100)

Quark-Gluon-Plasma während ein paar fm/c ∼ 10−23 sec,danach “Hadronisierung”

Tausende Teilchenspuren im STAR-Detektor

nur indirekte Information über Quark-Gluon-Plasma!

LHC/LICLarge Hadron Collider – CERN, Genf, Schweiz

ATLAS

CMS

ALICE

ab Ende 2009: Large Ion Collider (Pb+Pb mit 5.5 TeV/Nukleonpaar)

LHC/LICLarge Hadron Collider – CERN, Genf, Schweiz

ATLAS

CMS

ALICE

ab Ende 2009: Large Ion Collider (Pb+Pb mit 5.5 TeV/Nukleonpaar)

ALICEA Large Ion Collider Experiment(zusätzlich zu CMS und ATLAS)

erwartet:

I viel höhere Anfangstemperatur

I 10x längere Lebenszeiten des QGP

I dafür 20x so viele Teilchen zu analysieren. . . !

ALICEA Large Ion Collider Experiment(zusätzlich zu CMS und ATLAS)

erwartet:

I viel höhere Anfangstemperatur

I 10x längere Lebenszeiten des QGP

I dafür 20x so viele Teilchen zu analysieren. . . !