Teilchenphysik

Teilchenphysik
Lehrerprogramm - Mai 2016
European Organisation for Nuclear Research
„Magic is not happening at CERN, magic is explained at CERN“ - Tom Hanks
Kristof Schmieden
EP Department
[email protected]
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
2
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Kristof Schmieden
2
Higgs
• Higgs Mechanismus spielt eine zentrale Rolle in der
Elektroschwachen Theorie
Higgs,
Englert,
Brout: 1964
• Warum ist der „Higgs Mechanismus“ so Wichtig für die
Teilchenphysik?
• Alle Eichbosonen sind masselos in der Theorie!
• Aber W & Z Bosonen sind massiv in der Natur!
• Wahrscheinlichkeitserhaltung!
Kristof Schmieden
3
Higgs
• Higgs Mechanismus spielt eine zentrale Rolle in der
Elektroschwachen Theorie
Higgs,
Englert,
Brout: 1964
• Warum ist der „Higgs Mechanismus“ so Wichtig für die
Teilchenphysik?
• Alle Eichbosonen sind masselos in der Theorie!
• Aber W & Z Bosonen sind massiv in der Natur!
• Wahrscheinlichkeitserhaltung!
Streuwahrscheinlichkeit > 1
für Q2 groß!
Muss ,Skalar‘
sein: Spin = 0
Kristof Schmieden
Alles zusammen: destruktive
Interferenz
→ Wahrscheinlichkeit < 1
3
Massen der Eichbosonen
•
LG =
1 i iµ⌫
F F
4 µ⌫
1
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
2
i and B
where Fµ⌫
µ⌫ are the field strength tensors of the gauge fiel
SU (2)L and U (1)Y , respectively.
Alle Eichbosonen sind masselos in Elektroschwacher
Theorie!Gauge boson mass terms do not a
as they would break the local gauge invariance of the lagrangian.
and all bosons but the photon massive a spontaneous breakdown
Masse ,per hand‘ hinzugefügt: Theorie
bricht
zusammen
symmetry
is needed
[11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmet
•
• → Eichinvarianz geht verloren
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
• Dynamische Erzeugung der Masse:
• Interaktion mit einem Skalaren
• Erfüllt das ganze Universum
In order to achieve the electroweak symmetry breaking in the simpl
complex scalar fields is added to the theory:
Feld
✓ +◆
'
LS = (Dµ )† (Dµ ) V ( † ); =
, Y = +1, '0 neutral,
0
'
The potential V
• Führt zu Massentermen in Gleichungen
is defined in a gauge invariant way by
V(
• Symmetrie des Potentialminimums ,spontan‘
Higher orders of (
gebrochen
†
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model
+ ( † )2 , m, 2 R.
Higgs - Potential
) are not allowed in order to keep the theory
V
ensure the stability of the vacuum, has to be greater than zero. If in
is chosen negative, the potential takes the famous shape of a mex
The scaler product for 3-vectors is always indicated by using variables overs
• Führt zur Brechung der EW Symmetrie
whereas the Einstein summation convention is used for 4-vectors.
• Elektromagnetismus & schwache Kraft
4
6
• Analoge Effekte bereits aus Festkörperphysik
bekannt! (Supraleitung)
Kristof Schmieden
2
1
Figure 2.1.: Illustration of the shape of the potential according
to
4
Higgs-Feld hat keine Richtung (Skalarfeld)
Massen der Eichbosonen
•
LG =
Potential
1 i iµ⌫ 1
Fµ⌫ F
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
4 ) des Higgs-Feldes
2
V(
i and B
ist komp
where Fµ⌫
µ⌫ are the field strength tensors of the gauge fiel
(2 x 2 Komp
SU (2)L and U (1)Y , respectively.
Alle Eichbosonen sind masselos in Elektroschwacher
Theorie!Gauge boson mass terms do not a
as they would break
the local gauge invariance
of the lagrangian.
Sombrero-artige
Form (“Mexikanischer
H
and all bosons but the photon massive a spontaneous breakdown
Masse ,per hand‘ hinzugefügt: Theorie
bricht
zusammen
Entstehung
unmittelbar
nach
Urkna
symmetry
is needed
[11], i.e. the Higgs
mechanism
[1].dem
The symmet
•
• → Eichinvarianz geht verloren
heiss
(E >
1015
GeV, T >
(E <
GeV, T < 1029 K)
In order to achieve the electroweak symmetry breaking in the simpl
complex scalar fields is added to the theory:
Feld
✓ +◆
'
†
µ
†
Lehrerfortbildung
CERN,
Oktober
2015
–
Teilchenphysik
LS = (D
)
(D
)
V
(
);
=
, Y 3 = +1, '0 neutral,
µ
0
Hohe Energiedichte'
The potential V
• Führt zu Massentermen in Gleichungen
Niedrige Energiedichte
is defined in a gauge invariant way by
V(
• Symmetrie des Potentialminimums ,spontan‘
Higher orders of (
gebrochen
K)
kalt
1014
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
• Dynamische Erzeugung der Masse:
• Interaktion mit einem Skalaren
• Erfüllt das ganze Universum
kühler
1030
†
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model
+ ( † )2 , m, 2 R.
Higgs - Potential
) are not allowed in order to keep the theory
V
ensure the stability of the vacuum, has to be greater than zero. If in
is chosen negative, the potential takes the famous shape of a mex
The scaler product for 3-vectors is always indicated by using variables overs
• Führt zur Brechung der EW Symmetrie
whereas the Einstein summation convention is used for 4-vectors.
• Elektromagnetismus & schwache Kraft
4
6
• Analoge Effekte bereits aus Festkörperphysik
bekannt! (Supraleitung)
Kristof Schmieden
2
1
Figure 2.1.: Illustration of the shape of the potential according
to
4
Das Higgs Teilchen
• Higgs Mechanismus erfordert zwingend ein Teilchen mit Spin = 0 (Skalar)
• Entspricht einer Anregung des Higgs-Feldes
Kristof Schmieden
5
Das Higgs Teilchen
• Higgs Mechanismus erfordert zwingend ein Teilchen mit Spin = 0 (Skalar)
• Entspricht einer Anregung des Higgs-Feldes
Kristof Schmieden
CERN
(ATLAS &
CMS): 2012
5
Wie die Teilchen Massiv wurden
Higgs-Mechanismus:
Analogien
II
• Masse der Teilchen hängt von Kopplungsstärke zum Higgsfeld ab:
Bild:für
Higgs-Feld
zähe Flüssigkeit
Verantwortlich
Masse derals
Vektorbosonen:
gV ~ mV2
• DirektAlternatives
masselose Teilchen durchqueren die Flüssigkeit
zunächst lichtschnelle Teilchen (masselos) werden durch die zähe Flüssigkeit
Symmetrie
→Masse)
Goldstone Bosonen → Freiheitsgrade absorbiert in
• Gebrochene
verlangsamt
(Verleihung von
Massiven
Eichbosonen
Verschiedene
Teilchen erfahren unterschiedliche Viskositäten
(unterschiedlich starke Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld)
Fermionen
über
Yukawa
Wechselwirkung:
• Masse derwenig
Viskosität (Luft)
= wenig
Verlangsamung
= leichtes Teilchen
hinzugefügt
• Explizitmittlere
Viskosität (Wasser) = stärkere Verlangsamung = mittelschweres Teilchen
Viskosität (Sirup) = starke Verlangsamung = schweres Teilchen
• gF ~ mhohe
F
Higgs-Teilchen als kurzzeitiger Anregungszustand der zähen Flüssigkeit
(Higgs-Feld)
Teilchen
Masse
leicht
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
mittel
schwer
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
6
Eigenschaften des Higgs - Bosons
• Ist das gefundene Teilchen wirklich das SM Higgs Teilchen?
• Spin:
• Ganzzahlig, das Zerfall in γγ
• Parität:
• Gerade oder Ungerade?
• Bestimme alle Quantenzahlen des Teilchens!
Kristof Schmieden
7
Zusammenhang mit der Masse
• Ist Kopplung an Vektorbosonen / Fermionen abhängig von der Masse?
• Normierung
• V & F auf gerade
Kristof Schmieden
8
Stabilität des Universums
Dµ = @µ
ig
~⌧ ~
· Wµ
2
ig 0
Y
Bµ
2
(2.8)
L and Y = 2 for R. The kinetic energy term of the gauge fields,
dded to LF , is written as
• Entspricht Vakuum Energie des Higgs Feldes lokalen oder globalen Minimum?
LG =
1 i iµ⌫
F F
4 µ⌫
1
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
2
(2.9)
• Falls lokal, gibt es Zustand geringerer Energie?
are the field strength tensors of the gauge fields corresponding to
• Könnte Universum in diesen Zustand Tunneln?
, respectively. Gauge boson mass terms do not appear in this theory
µ⌫
ak the local gauge invariance of the lagrangian. To make fermions
t the photon massive a spontaneous breakdown of the electroweak
d [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmetry is broken as:
• Abhängig von Higgs & Top Masse
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
(2.10)
e the electroweak symmetry breaking in the simplest way a doublet of
ds is added to the theory:
✓ +◆
'
µ
) V ( † ); =
, Y = +1, '0 neutral, '+ charged. (2.11)
0
'
bilität des Vakuums
defined in a gauge invariant way by
V(
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model of Particle Physics
+ ( † )2 , m, 2 R.
(2.12)
= unser
Universum)
stabil?
Higgs - Potential
†
) are not allowed in order to keep the theory renormalizable. To
V
yumenergie
of the vacuum,(durch
has to bedas
greater
than zero. If innur
addition
m2 = lokalen
µ2
Higgs-Feld)
einem
, the potential takes the famous shape of a mexican hat, illustrated
Minimum des
for 3-vectors is always indicated by using variables overset with vector symbols,
ustand
geringerer
Energie?
ein summation
convention is used
for 4-vectors.
zu diesem Zustand durchtunneln?
und Higgs-Masse
2
?
1
nis: Das Vakuum
ist meta-stabil
ationim
of Bereich
the shape of
the 10
potential
according
100 Jahren
eit
von
Kristof Schmieden
to Eq. (2.12). The
t feature is the degenerate ground state lying on a circle around the
9
Stabilität des Universums
~⌧ ~
ig · W
µ
2
Dµ = @µ
ig
0Y
2
Bµ
(2.8)
Stabilität des Vakuums
L and Y = 2 for R. The kinetic energy term of theIst
gauge
fields,
das
Vakuum (= unser Universum) stabil?
dded to LF , is written as
entspricht die Vakuumenergie (durch das Higgs-Feld) nur einem lokalen Minimum d
1 i iµ⌫ 1
Higgs-Potentials?
LG =
Fµ⌫ F
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
(2.9)
4
2
gibt es evtl. einen Zustand geringerer Energie?
• Entspricht Vakuum Energie des Higgs Feldes lokalen oder globalen Minimum?
• Falls lokal, gibt es Zustand geringerer Energie?
are the field strength tensors of the gauge fields corresponding
to das Vakuum zu diesem Zustand durchtunneln?
könnte
Könnte
Universum
in
diesen
Zustand
Tunneln?
•
, respectively. Gauge boson mass terms do not appear in this theory
µ⌫
hängt ab von Top- und Higgs-Masse
ak the local gauge invariance of the lagrangian. To make fermions
t the photon massive a spontaneous breakdown of the electroweak
Vorläufiges Ergebnis: Das Vakuum ist meta-stabil
d [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmetry is broken as:
Aber: Durchtunnelzeit im Bereich von 10100 Jahren
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
(2.10)
• Abhängig von Higgs & Top Masse
e the electroweak symmetry breaking in the simplest way a doublet of
ds is added to the theory:
✓ +◆
'
µ
) V ( † ); =
, Y = +1, '0 neutral, '+ charged. (2.11)
0
'
bilität des Vakuums
defined in a gauge invariant way by
V(
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model of Particle Physics
+ ( † )2 , m, 2 R.
(2.12)
= unser
Universum)
stabil?
Higgs - Potential
†
) are not allowed in order to keep the theory renormalizable. To
V
yumenergie
of the vacuum,(durch
has to bedas
greater
than zero. If innur
addition
m2 = lokalen
µ2
Higgs-Feld)
einem
Minimum des
Lehrerfortbildung
CERN,
Oktober
2015
– Teilchenphysik 3
, the potential takes the famous shape of a mexican hat, illustrated
Michael Hauschild (CERN),
for 3-vectors is always indicated by using variables overset with vector symbols,
ustand
geringerer
Energie?
ein summation
convention is used
for 4-vectors.
zu diesem Zustand durchtunneln?
und Higgs-Masse
2
?
•Tunnelzeit ~ 10100 Jahre
1
nis: Das Vakuum
ist meta-stabil
ationim
of Bereich
the shape of
the 10
potential
according
100 Jahren
eit
von
Kristof Schmieden
to Eq. (2.12). The
t feature is the degenerate ground state lying on a circle around the
9
Was haben wir jetzt gelernt?
• Dynamische Erzeugung von Masse
• Vereinheitlichung der elektromagnetischen & schwachen Kraft
• Elektroschwache Symmetriebrechung konsistent Beschrieben
• Wie ist es möglich das W&Z massiv, das Photon aber masselos ist?
• Wie ist es möglich das MW != MZ
Kristof Schmieden
10
Was haben wir jetzt gelernt?
• Dynamische Erzeugung von Masse
• Vereinheitlichung der elektromagnetischen & schwachen Kraft
• Elektroschwache Symmetriebrechung konsistent Beschrieben
• Wie ist es möglich das W&Z massiv, das Photon aber masselos ist?
• Wie ist es möglich das MW != MZ
• Wieso haben Fermionen eine Masse != 0 ?
• Wieso haben Fermionen unterschiedliche Massen?
• Was Bestimmt die „Massen-Hirachie? [2 MeV (u) -- 173 GeV (t) ]
Kristof Schmieden
10
Letzte Anmerkung zum Higgs
Nobelpreis 1988 (mit Melvin Schwartz und
Jack Steinberger) für die Entdeckung des
Myon Neutrinos 1962
Leon M. Lederman (2007)
des Fermilab),
Nobelpreis
1988
Lederman
schrieb 1993
ein Buch über
• Leon Lederman (frühere Direktor
Teilchenphysik und das Higgs Boson
(mit Wissenschaftsjournalist Dick Teresi)
und das Higgs-Teilchen
• Schrieb 1993 Buch über Teilchenphysik
und gab dem Higgs Boson den Spitznamen
“Das Gottesteilchen”
- „God particle“
• Präge den Begriff „Gottesteilchen“
weil das Teilchen "so central to the state of physics
today, so crucial to our final understanding of the
structure of matter, yet so elusive”
• Und der Grund:
und weil "the publisher wouldn't let us call it the
Goddamn Particle, though that might be a more
appropriate title, given its villainous nature and the
expense it is causing."
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 8
11
Letzte Anmerkung zum Higgs
Nobelpreis 1988 (mit Melvin Schwartz und
Jack Steinberger) für die Entdeckung des
Myon Neutrinos 1962
Leon M. Lederman (2007)
des Fermilab),
Nobelpreis
1988
Lederman
schrieb 1993
ein Buch über
• Leon Lederman (frühere Direktor
Teilchenphysik und das Higgs Boson
(mit Wissenschaftsjournalist Dick Teresi)
und das
Higgs-Teilchen
• Schrieb 1993 Buch über Teilchenphysik
Higgs wird
Allgemeingut
und gab dem Higgs Boson den Spitznamen
“Das Gottesteilchen”
- „God particle“
• Präge den Begriff „Gottesteilchen“
weil das Teilchen "so central to the state of physics
today, so crucial to our final understanding of the
structure of matter, yet so elusive”
• Und der Grund:
und weil "the publisher wouldn't let us call it the
Goddamn Particle, though that might be a more
appropriate title, given its villainous nature and the
expense it is causing."
Lehrerfortbildung
CERN, Oktober
– Teilchenphysik
"so central to the state of physics
today,
so2015crucial
to3 our final
understanding of the structure of matter, yet so elusive”
Michael Hauschild (CERN), Seite 8
but "the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle,
though that might be a more appropriate title, given its villainous
nature and the expense it is causing."
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 28
11
Neutrinos
Kristof Schmieden
12
Neutrinoquellen
• Sonne / Supernovae: Kernfussion
1
1
2
+
H + H ! H + e + ⌫e + 0, 42 MeV
• Kernreaktoren: Kernspaltung
• β - Zerfall von Spaltprodukten & Neutronen → νe
• Atmosphäre:
• Myonzerfälle aus kosmischer Strahlung → νµ, νe
• Beschleuniger:
• Myonzerfälle → νµ, νe
Kristof Schmieden
13
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
Super Kamiokande: 1998
Kristof Schmieden
14
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
• Nachweis Stellarer Neutrinos in Superkamiokande
• Bestätigung der Homesetake Ergebnisse
Super Kamiokande: 1998
• Nachweis Atmosphärischer Neutrinos
• Fluß der von „oben“ und von „unten“ kommenden Neutrinos unterscheidet sich
um ~50%
• Was passiert mit den Neutrinos?
Kristof Schmieden
14
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
• Nachweis Stellarer Neutrinos in Superkamiokande
• Bestätigung der Homesetake Ergebnisse
Super Kamiokande: 1998
• Nachweis Atmosphärischer Neutrinos
• Fluß der von „oben“ und von „unten“ kommenden Neutrinos unterscheidet sich
um ~50%
• Was passiert mit den Neutrinos?
• Neutrinos Oszillieren von einer Art (flavour) zur Anderen
• Nur Elektron & Muon Neutrinos werden Nachgewiesen
Kristof Schmieden
14
Neutrinooszillationen
• Analog zum Quark-Sektor
• Masseneigenzustände != flavour Eigenzustände
• Erlaubt Mischung → Oszialltionen
• Erfordert mv > 0 & mv1 != mv2 != mv3
Elektron Neutrino
Muon Neutrino
Tau Neutrino
Kristof Schmieden
15
Neutrinooszillationen - Nachweis
• Verschiedenen Reaktor & Beschleuniger Experimente
• Detektoren in Unterschiedlichen Entfernungen der Quelle
• Double Chooz, KamLand, DayaBay / T2K, Opera, Minos
• Messen Unterdrückung des Neutrinoflusses
Kristof Schmieden
16
Neutrinooszillationen - Nachweis
• Verschiedenen Reaktor & Beschleuniger Experimente
• Detektoren in Unterschiedlichen Entfernungen der Quelle
• Double Chooz, KamLand, DayaBay / T2K, Opera, Minos
• Messen Unterdrückung des Neutrinoflusses
• Opera: Erscheinen eines tau-Neutrinos nachgewiesen
Opera: 2010-2014
• Neutrinostrahl (µ, e) vom CERN 740km nach Gran Sasso (IT)
• Nachweis von Tau Neutrinos im Neutrinostrahl (5x)
Kristof Schmieden
16
Woher haben Neutrinos ihre Masse?
• Und wieso ist die Masse so klein im Vergleich zu Leptonen? (< 2eV)
• Genauso wie Elektronen, über Kopplung um Higgsfeld?
• Erfordert Links & Rechtshändige Neutrinos
• Nur Linkshändige Neutrinos sind beobachtet worden!
• Anderer Mechanismus?
• Hoch im Trend: See-Saw Mechanismus:
• Neutrinos sind Majorana Teilchen (eigenen Anti-Teilchen)
• Zusätzlich sehr schwere Rechtshändige Neutrinos (sterile Neutrinos)
• Erzwingen sehr kleine Masse für bekannte Neutrinos
• Dies Verletzt Leptonzahlerhaltung & B-L
• Könnte die Existenz von Materie über Leptogenesis erklären
Kristof Schmieden
17
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
18
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Kristof Schmieden
18
Erfolg des Standardmodells
Elektroschwache & Starke Kraft
Quarks, Leptonen, Neutrinos
σ [pb]
Standard Model Production Cross Section Measurements
1011
106
80 µb−1
Status: July 2014
ATLAS Preliminary
Run 1
√
s = 7, 8 TeV
0.1 < pT < 2 TeV
0.3 < mjj < 5 TeV
5
10
104
LHC pp
njet ≥ 0
35 pb
103
−1
√
s = 7 TeV
LHC pp
√
s = 8 TeV
Theory
Theory
Data
Data
4.5 − 4.7 fb−1
20.3 fb−1
njet ≥ 1 njet ≥ 0
35 pb−1
njet ≥ 2
2
10
njet ≥ 3
1
10
njet ≥ 4
njet ≥ 5
1
njet ≥ 1
upper
limit
13.0 fb−1
4.9 fb−1
0.7 fb−1
2.0 fb−1
njet ≥ 3 njet ≥ 4
95% CL
njet ≥ 5
upper
njet ≥ 4 njet ≥ 6
njet ≥ 5
njet ≥ 6
10−2
95% CL
njet ≥ 2
njet ≥ 6
10−1
njet ≥ 0
limit
1.0 fb−1
njet ≥ 7
njet ≥ 8
njet ≥ 7 njet ≥ 7
10−3
pp
Jets Dijets W
R=0.4
total
Kristof Schmieden
Z
tt̄
tt−chan WW+ WW
|y |<3.0 |y |<3.0 fiducial fiducial
y ∗ <3.0
γγ
Wt
WZ
ZZ
tt̄γ
Wγ
Zγ
tt̄W
tt̄Z
WZ
R=0.4
total
total
total
Zjj H→γγW± W± jj ts−chan
EWK
total
fiducial
total
total
total
fiducial fiducial fiducial
njet=0 njet=0
total
total
EWK
fiducial fiducial fiducial
total
19
Noch ein paar lose
Enden ...
Kristof Schmieden
20
Gravitation
• Gravitation lässt sich nicht innerhalb des SM beschreiben
• Theoretisches Problem: Allgemeine Relativitätstheorie und
Quantenmechanik konnten bisher nicht zusammengefügt werden
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Dominiert makroskopische Objekte
• Auf Teilchenebene vernachlässigbar!
• 10-38 mal so stark wie Elektromagnetische Wechselwirkung!
• Zusätzliche Dimensionen?
Kristof Schmieden
21
Gravitation
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Zusätzliche Dimensionen?
• Vorhersage von ,schwarzen Löchern‘
• Teilchen die am LHC erzeugt werden
könnten
• Streuung an Kompaktifizierten ExtraDimensionen
• Kaluza-Klein Tower / Anregungen
(= stehende Wellen in Extra-Dimension)
Bisher nicht beobachtet :(
Kristof Schmieden
22
Gravitation - String Theorie
ab ~1980 bis
heute
• Ein fundamentales Objekt:
• String (Saite)
• Größe ~ Planck Länge: 10-35m
• Können offen oder Geschlossen sein
• Angeheftet auf „Welt-Brane“
• Schwingungsmoden entsprechen Beobachtbaren
Teilchen
• Branen leben in 11 Dimensionalen Raum
• M-Theorie
• Sehr Einfacher, eleganter Ansatz
• Vereinheitlichung aller bekannten Kräfte (beinhaltet Quanten-Gravitation)
• Unglaublich schwer zu Berechnen. Bisher keine Überprüfbaren Vorhersagen
Kristof Schmieden
23
Wo ist die Antimaterie?
• Bekannte Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kann
beobachtete Materie im Universum nicht Erklären.
• CP - Verletzung der schwachen Wechselwirkung
• Teilchen und Anti-Teilchen werden Leicht
unterschiedlich behandelt
• LHCb untersucht dies (u.a.)
• Muss Wechselwirkungen außerhalb des
Standardmodells geben!
Kristof Schmieden
24
Wo ist die Antimaterie?
• Bekannte Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kann
beobachtete Materie im Universum nicht Erklären.
• CP - Verletzung der schwachen Wechselwirkung
• Teilchen und Anti-Teilchen werden Leicht
unterschiedlich behandelt
• LHCb untersucht dies (u.a.)
• Muss Wechselwirkungen außerhalb des
Standardmodells geben!
• => Wie viel Energie ist im Universum?
Bekannte Teilchen - Antiteilchen asymmetrie:
Erzeugte Menge an Materie / Antimaterie im Urknall > totale Energiedichte
Kristof Schmieden
24
Intermezzo - Kosmologie
• Beobachtungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung:
WMAP /
Planck:
2010 / 2015
• Universum kühlt ab => Neutrale Atome => Durchsichtig
• Strahlung von diesem Zeitpunkt: Durchquert Universum, Wellenlänge durch
Ausdehnung des Raums gedehnt: Röntgen → Mirkowellen
Planck Collaboration: The Planck mission
Planck Collaboration: The Planck mission
6000
DT T [µK2 ]
5000
4000
3000
2000
1000
DT T
0
600
60
30
0
-30
-60
300
0
-300
-600
2
10
30
500
1000
1500
2000
2500
Fig. 7. Maximum posterior CMB intensity map at 50 resolution derived from the joint baseline analysis of Planck, WMAP, and
Fig. 9. The Planck 2015 temperature power spectrum. At multipoles ` 30 we show the maximum likelihood fre
408 MHz observations. A small strip of the Galactic plane, 1.6 % of the sky, is filled in by a constrained realization that has the same
temperature spectrum computed from the Plik cross-half-mission likelihood with foreground and other nuisance
statistical properties as the rest of the sky.
mined from the MCMC analysis of the base ⇤CDM cosmology. In the multipole range 2  `  29, we plot the
estimates from the Commander component-separation algorithm computed over 94 % of the sky. The best-fit base ⇤
spectrum fitted to the Planck TT+lowP likelihood is plotted in the upper panel. Residuals with respect to this mo
the lower panel. The error bars show ±1 uncertainties. From Planck Collaboration XIII (2015).
• Fit des ΛCDM Modells an Daten. Parameter: Baryon-Dichte, Materie-Dichte,
Raumkrümmung, ....
Kristof Schmieden
25
Apropos Dunkle Materie
Kristof Schmieden
• Gravitationszentrum
• Per „Weak-Lensing“
26
Apropos Dunkle Materie
• X-ray Emission von
heisem Gas
• höchste Baryonendichte
Kristof Schmieden
• Gravitationszentrum
• Per „Weak-Lensing“
26
Apropos Dunkle Materie
• X-ray Emission von
heisem Gas
• höchste Baryonendichte
Kristof Schmieden
• Gravitationszentrum
• Per „Weak-Lensing“
26
Apropos Dunkle Materie
Planck: 2015
Dunkle Materie ?
Baryonen
Dunkle Energie ???
• Mehrere Kandidaten + Erweiterungen des SM zur Beschreibung DM
Kristof Schmieden
27
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
28
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
→ Neutrinos?
28
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
→ Neutrinos?
Nein! Nur nicht-relativistische Teilchen
tragen zur Strukturbildung bei!
28
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
• ~Nichtrelativistisch
• Ansätze mit ,heißer‘ dunkler
Materie existieren
Kristof Schmieden
• Kandidatenliste:
• WIMPs
Particle?)
(Lightest Supersymmetric
• Axionen
• Sterile Neutrinos
29
Supersymmetrie
• Neue Symmetrie:
• Jedem Boson (S=0,1) wird ein neues Fermion (S=1/2) zugeordnet,
und umgekehrt
Kristof Schmieden
30
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und sta
• Große Vereinheitlichung möglich
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
5) Dunkle Materie ?
Kristof Schmieden
31
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und sta
• Große Vereinheitlichung möglich
• Neue Erhaltungsgröße: R-Parität (+1 für Teilchen, -1 für Superpartner)
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
• Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen kann nicht Zerfallen!
5) Dunkle Materie ?
• Kandidat für Dunkle Materie
Kristof Schmieden
31
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und sta
• Große Vereinheitlichung möglich
• Neue Erhaltungsgröße: R-Parität (+1 für Teilchen, -1 für Superpartner)
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
• Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen kann nicht Zerfallen!
5) Dunkle Materie ?
• Kandidat für Dunkle Materie
• Parameterraum für Supersymmetrie Riesig
• Parameter bestimmen Teilchenmasse, sind (fast) beliebig
• Nicht ausschließbar
Kristof Schmieden
31
Axionen
• Lösen das „starke CP Problem“
• QCD erlaubt CP verletzende Reaktionen. Stärke beschrieben durch Parameter θ
• CP Verletzung → Elektrisches Dipolmoment des Neutron
• Experimentell: EDM(n) < 10-25 e·cm
• Wieso? Erscheint nicht „natürlich“ (fine tuning)
Kristof Schmieden
32
Axionen
• Lösen das „starke CP Problem“
• QCD erlaubt CP verletzende Reaktionen. Stärke beschrieben durch Parameter θ
• CP Verletzung → Elektrisches Dipolmoment des Neutron
• Experimentell: EDM(n) < 10-25 e·cm
• Wieso? Erscheint nicht „natürlich“ (fine tuning)
• Einführung eines weiteren komplexen, skalaren Feldes
• Mit Dazugehöriger Symmetrie, die spontan gebrochen ist
Peccei, Quinn:
1977
(Analog zum Higgs Mechanismus)
• θ wird ,dynamisch‘ exakt 0
• Neues, massives Teilchen: Axion
• Kandidat für dunkle Materie
Primakov Effekt
Kristof Schmieden
32
Alles dunkle ist spannend
Planck: 2015
Dunkle Materie ?
Baryonen
Dunkle Energie ???
• Dunkle Energie ist völlig Unerklärt
• Zusammenhang mit Inflation?
• Vakuumfluktuationen?
• Quintessenz ?
Kristof Schmieden
33
Viele Ungelößte Probleme
• Gravitation lässt sich nicht innerhalb des SM beschreiben
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Wieso gibt es keine Antimaterie im Universum?
• Der Dunkle Sektor? (Dunkle Materie, Dunkle Energie)
• Was ist die Natur der Neutrinos?
• Wieso gibt es 3 Familien?
• Wieso haben Teilchen unterschiedliche Masse?
•
•
•
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics
Kristof Schmieden
34
The End
Kristof Schmieden
35
Inflation
Kristof Schmieden
36
Überschrift
[5]
Kristof Schmieden
37
Literaturverzeichnis
[2] Rainer Müller - Eigene Grafik, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8742784
[3] Von Kurzon - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32422326
[4] By Sch (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/
copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
[5] Economist: http://www.economist.com/blogs/graphicdetail/2012/07/daily-chart-1
[6] CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=75046
[7] http://www.orbitals.com/orb/
[8] C. Anderson, PhysRev.43.491, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.43.491
[9] Own work by uploader Emokderivative work: WikiMichi (talk) - Casimir plates.svg, CC BY-SA 3.0, https://
commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8900709
[10] http://www.cosmiq.de/qa/show/934946/wie-funktionieren-austauschteilchen/
[11] Determination of the energy measurement accuracy for charged particles by their range in nuclear photoemulsion
A.S. Barabash (Moscow, ITEP) et al.. Nov 2012. 8 pp. Phys.Inst. 39 (2012) 300-304 http://arxiv.org/abs/1211.1471v2
[12] ATLAS-CONF-2013-041, https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2013-041/
[13] M. Breidenbach, J. I. Friedman, H. W. Kendall, et. al. Phys. Rev. Lett. 23, 935
[14] Von MissMJderivative work: Polluks (talk) - Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg, CC BY 3.0, https://
commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11307906
[15] D. Perkins: Introduction to high energy physics
Kristof Schmieden
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