Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 22.01.2010 1 Vorlesung 12: Roter Faden: 1.Grand Unified...

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 22.01.2010 1

Vorlesung 12:

Roter Faden:

1. Grand Unified Theories2. Supersymmetrie3. Vereinheitlichung aller Kräfte4. Baryon Asymmetrie5. Neutralino als Kandidat der DM


Was ist eine

Große Vereinheitlichte Theorie(Grand Unified Theorie, GUT)

Was ist Supersymmetrie?


Fundamentale Fragen der Teilchenphysik


| | | |Q boson fermion Q fermion boson

2 3/2 1 1/2 0spin spin spin spin spin 2 3/2 1 1/2 0spin spin spin spin spin

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 esgleich viele Bosonen und Fermionen mit gleichen Wechsel-wirkungen gibt Verdoppelung des Teilchenspektrums (Waw, Eldorado für Experimentalphysiker)

In modernen Theorien sind TeilchenAnregungen von Strings in 10-dimensionalemRaum (String theory)


One half is observed! One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!

SUSY Shadow World


Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetrie


Grand Unified Theories

Beachte: SM basiert auf Rotationssymmetrien, wie SU(n).(Symmetrie Unitaire mit nxn Matrizen).SU(n) hat daher n2-1 Eichbosonen (-1 durch die Unitaritätsbedingung).

Lokale (Eich)symmetrie (engl. Gauge Symmetrie) verlangt Existenz dieser n2-1 Eichbosonen.

Kleeblatt invariant unter globaleSU(3) Rotationssymmetrie

Lokale Eichinvarianz: drehe nur 1 Blatt.Invarianz nur wenn ich Info weitergebedurch Austauschteilchen, das dann dienächsten Blätter auch dreht.Oder Farbeändert, wie bei Quarks. Brauche 9Gluonen. Lin. Komb. rr+gg+bb inv.->8Gluonen

rr rg

gr gg gb

bg bb

rb

br


Grand Unified TheoriesAber wie können solche unterschiedlich starke Kräftevereinheitlicht werden?

Antwort: sie sind gleich stark bei hohen Energien.Unterschied bei niedrigen Energie durch Quantenfluktuationen (QF)!

Heisenberglässtgrüßen!

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 verstärktdurch Gluonpaare. Diese Anti-Abschirmung überwiegt.Daher Feld auf großem Abstand stärker als “nackte”Farbladung des Quarks!


Laufende KopplungskonstantenSchlussfolgerung 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


Die Struktur des Protons

Die drei “Valenz” Quarksdes Protons werden zusammen-gehalten durch Gluonen(von engl. “glue”=Kleber).Diese Gluonen könnenfür kurze Zeit in Quark-AntiquarkPaare („See-Quarks“)übergehen, die jedochnach der HeisenbergscheUnschärferelation sofortwieder verschwinden.

Daher braucht man beim LHCkeine Antiprotonen, dennbei den hohen Energien habenviele der Seequarks genügendhohe Energien um Wechselwirkungenzu erzeugen.

Heisenberglässtgrüßen!


Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren

Elektrische Kraft Dichte der elektrischen Feldlinien 1/r2 Photonen ungeladen keine Selbstkopplung

Starke Kraft Dichte der Farbfeldlinien 1/r2 +r durch Gluonselbstkopplung(Gluonen bilden “Strings”)

Teilchen bilden sich entlangstrings, wenn es energetischgünstiger ist, potentielle Energiein Masse umzuwandelnJets von Teilchen entlang ursprünglicher Quark-Richtung

EÜ*+üpmc2E=mc2


Running Coupling Constants


Running of Strong Coupling Constant


Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

Hinweis auf Physik “Beyond the SM”?


possible evolution of the universe


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 MG gültig. In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung G.

Für Energien unterhalb von MXc2 ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen-gleichung der entsprechenden Untergruppe.


SU(5) als einfachstes Beispiel einer GUT

SU(5) SU(3)FarbeSU(2)LU(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


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, Z0, .

• 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 (IW = 1), elektrische Ladung (q=1/3 und q=4/3) und zwei Farbladungen.


Vereinigung der Kräfte

1

2

( ) 128.978 0.027

sin 0.23146 0.00017

( ) 0.1184 0.0031

Z

MS

s Z

M

M

InputInput

OutputOutput

3.4 0.9 0.4

15.8 0.3 0.1

-1GUT

10 GeV

10 GeV

26.3 1.9 1.0

SUSY

GUT

M

M

SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen.Die Kopplungskonstanten werden gleich groß.

Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991)

SM SUSY

Skalenverhalten: 1/i logQ2 beruht auf

radiativen Korrekturen


•

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 wichtigeAufgabe für LHC


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


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


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


Higgs Mechanism


Higgs Mechanism predicted in Supersymmetry


Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one.Hence many models to explain Baryon Asym.


Proton decay expected in GUT’s


R-Parität


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.


Some production diagrams


R-Parität bedeutet LSP ist perfekter Kandidat der DM

DM kann nur durch elastische Streuung mit normalerMaterie wechselwirken (R=-1 im Anfangs- und Endzustand)

DM kann annihilieren mit sich selbst-> Reduzierung der Dichteim Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wennAnnihilationsrate gleiche Größenordnung wie Expansionsrate.


Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22Co

mo

vin

g n

um

ber

d

ensi

ty

x=m/T

Jun

gm

ann

,Kam

ion

kow

ski,

Gri

est,

PR

199

5

WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.


Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

Egret: WIMP 50-100 GeVWMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s

A Z

Spin ½ Teilchen leicht (0.1 TeV)Spin 0 Teilchen schwer (TeV)

Neutralino Annihilations-Wirkungsquerschnittwie erwartet für „thermal relic“ (from H and )! Zufall?


Wie sieht SUSY Teilchenspectrum aus?

Bulk

Too largeboostfactorfor EGRETdata

StauLSP

h<114

LSP largely Bino DM may be supersymmetric partner of CMB

Charginos, neutralinos and gluinos light

WMAP

EGRET

Stau coannihilation

mA resonance


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!

Up

dat

e fr

om A

mal

di,

dB

, F

ürs

ten

au, P

LB

260

199

1

SM SUSY

NO FREEparameter


Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie


Example of SUSY production and decay chain


Zum Mitnehmen

Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte möglicheErklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklärenKandidat für Dunkle MaterieBeseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHCIndirekter Nachweis der Annihilation der DM (mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)

Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung (mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)

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