Neutralinos χ0

Astroteilchenphysik – I
Wintersemester 2015/16
Vorlesung # 11, 12.01.
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik
Dunkles Universum
- Einführung
- WIMP-Kandidaten
- Supersymmetrie (SUSY):
SUSY-Multiplette
Neutralinos
R-Parität
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
www.kit.edu
Abschirmmethoden
 Passive Abschirmung gegen Gammas & Neutronen
- externer Veto zur Identifikation von Myonen (Szintillator, Cherenkov)
 Unterdrückung von Neutronen aus Myon-Reaktionen
- massive Blei-Abschirmung
 Unterdrückung von Gammas
- Polyethylen
 Moderierung von Neutronen
- Reinst-Kupfer
 Unterdrückung der intrinsischen
Gamma-Aktivität der Pb-Abschirmung
 Ultimatives Abschirm-Limit
(bei Targetmassen von 10-100 to.):
- solare Neutrinos
- atmosphärische Neutrinos
2
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
3. Dunkles Universum
Einführung, WIMP Kandidaten, Neutralino-Suche am LHC, indirekte
Nachweismethoden, direkte Nachweismethoden, Axionen, Dunkle Energie
indirekt
LHC
f
3
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
direkt
f
KIT-IEKP
3.1 Einführung
 Kalte Dunkle Materie manifestiert sich auf allen
kosmologischen (Gpc) & astrophysikalischen
(Mpc - kpc) Skalen
~
- Teilchenphysikalischer Ursprung?
Halo aus
Dunkler Materie
n
~
c10
nR
~
a
a
4
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
~
G
KIT-IEKP
WIMPs im frühen Universum
 Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs):
- nicht-baryonische, thermische Relikte aus dem
Big Bang, die mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten propagieren
- Eigenschaften: nur schwach wechselwirkend, unterliegen der Gravitation
Big Bang
10-9 s:
letzte WIMPs
annihilieren
1 – Erzeugung & Vernichtung im
thermodynam. Gleichgewicht
3 – WIMP Propagation (nichtrelativistische Geschwindigkeit)
Ausfrieren
der WIMPs
12.01.2016
 WIMP-Phasen :
2 – Entkopplung („Ausfrieren“)
thermodynam.
Gleichgewicht
5
10-8 s:
WIMPs
propagieren
 WIMP-Dichten:
- im heutigen Universum (im Mittel)
HubbleWCDM ~ 0.27  rWIMP ~ 1 GeV/m3
Expansion
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
heutiges Universum – lokale WIMP Dichte
 lokale WIMP Dichte ist wesentlich höher als mittlere WIMP-Dichte
 Abschätzung: Rotationsgeschwindigkeit der Sonne
4 3
v 2rot GM r
mit
Mr   r  r
 2
3
r
r
3 v 2rot
3
r lokal 
r
~
0.3
GeV/cm

DM,lokal
4 r 2 G
Milchstraße
Halo-Dichte Profil r(r)~1/r2
12.01.2016
r
vrot = 230 km/s
Masse?
r DM , lokal  105 r DM
 Lokale DM-Dichte:
wichtige Größe für
direkte WIMP Suche
r(r)
6
r = 8 kpc
G. Drexlin – VL11
≈ rbaryonisch
rWIMP = 50 GeV/150 cm3
KIT-IEKP
3.2 WIMP-Kandidaten
Standardmodell-Teilchen:
Neutrino-Wechselwirkung:
sn,EW = 10-44 … 10-40 cm2
= 10-8 … 10-4 pb
Supersymmetrie-Teilchen:
Neutralino-Wechselwirkung:
sc
= 10-48 … 10-42 cm2
= 10-12 …10-6 pb
~ 10-2 sn,EW
unterdrückt relativ zu sn,EW
durch Mischungseffekte
7
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
MSSM
-5
Neutrino n
WIMP
sEW < 1 pb ( = 10-36 cm2 )
energieabhängig
log Wirkungsquerschitt (sint/1pb)
schwache Wechselwirkung
0
Neutralino c
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-12
keV
GeV
-6
0
MGUT MPl
6
12
18
log Teilchenmasse (M/1GeV)
KIT-IEKP
WIMP-Teilchenkandidaten für CDM
Axino
SUSY-Partner des Axions, aus
Zerfällen von SUSY-Teilchen
Gravitino
SUSY-Partner des Gravitons,
nur gravitative Wechselwirkung
-5
Neutrino n
Neutralino c
-10
WIMPzilla
leichtes
eV) WIMP,
entsteht bei nichtthermischen
Prozessen, postuliert in vielen
String-Theorien, CP in der QCD
MSSM
WIMP
(10-6…10-3
log Wirkungsquerschitt (sint/1pb)
0
Axion
-15
-20
-25
Axion
Axino
-30
Gravitino
-35
WIMPzilla
-40
extrem massereiche, nichttherm.
Relikte (Krümmungseffekte)
8
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
-12
keV
GeV
-6
0
MGUT MPl
6
12
18
log Teilchenmasse (M/1GeV)
KIT-IEKP
Supersymmetrie (SUSY) & WIMPs
 Supersymmetrie: Bosonen  Fermionen
- SUSY postuliert Superpartner zu den SM-Teilchen
- neutraler Superpartner (c0) : idealer WIMP Kandidat (CDM)
Supersymmetrischer
Partner
 Spin differiert um Ds = ½
Q |Boson> = |Fermion>
Q |Fermion> = |Boson>
Q: SUSY-Operator mit Spin ½
transformiert Boson  Fermion
 SUSY = Raumzeit-Symmetrie
- 1973: erste supersymmetrische Quantenfeldtheorie (Wess-Zumino Modell) durch
Julius Wess (Karlsruhe) Bruno Zumino (CERN)
Julius Wess
(1934-2007)
Leiter des KIT Instituts
für Theoretische Physik
von 1968-1990
9
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie (SUSY)
 Supersymmetrie –
eine spontan gebrochene Symmetrie:
- quantenmechanisches Vakuum ist nicht
invariant unter einer supersymmetrischen
Transformation, sonst wären Massen
von SM- & SUSY Teilchen gleich
SM-Teilchen
Squarks
Sleptonen
Gauginos
Supersymmetrie-Teilchen
 Massenunterschiede zwischen SM- und SUSY-Teilchen!
SM-Teilchenmassen << SUSY-Teilchenmassen (0.1-10 TeV)
 Skala der Symmetriebrechung wird erwartet bei Energien ~ 1 TeV
dadurch: Lösung des Hierarchieproblems MH << MPlanck
(2012: leichtes SM-Higgs-Boson mit Masse MH = 125 GeV)
 weshalb Symmetriebrechung bei ~ 1 TeV? (neues Hierarchie-Problem!)
10
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
SUSY & Vereinheitlichung der Kräfte
 Indirekte Hinweise auf SUSY-Existenz durch:
- Vereinheitlichung der energieabhängigen Eichkopplungen ai(E) der
drei Wechselwirkungen (elektromagnetisch, schwach, stark)
bei einer (extrem hohen) Energieskala LGUT < MPlanck
 Grand Unified Theorien (GUTs)
GUT-Skala
11
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
Energie (GeV)
KIT-IEKP
SUSY & Vereinheitlichung der Kräfte
 Verlauf der Eichkopplungen: a1: elektromagnetisch a2: schwach a3: stark
 Standardmodell (SM): kein Schnittpunkt der 3 Eichkopplungen ai
 Minimales supersymmetrisches Standardmodell (MSSM):
Eichkopplungen werden vereinigt bei MGUT ~ 2 · 1016 GeV
MSSM-Teilchen
in Loops
MGUT
Q [GeV]
12
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
Q [GeV]
KIT-IEKP
Supersymmetrie: MSSM
 MSSM
Minimales Supersymmetrisches Standard Modell):
105 neue physikalische Parameter:
- Teilchenmassen (Skalare, Gauginos,…),
- CP-Phasen
- Mischungswinkel
13
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie: cMSSM
 cMSSM (constrained MSSM)
Reduktion auf 5 physikalische Parameter
 vereinheitlichte Teilchen-Massen bei GUT-Skala
m½ = Masse aller Spin ½ SUSY-Teilchen
m0 = Masse aller skalaren SUSY-Teilchen
skalare
Teilchen
m0
Spin ½
Teilchen
m½
Squarks
Sleptonen
14
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie
Wbaryonisch
WHDM
 Aufbau der Materie: Baryonen, CDM, HDM
WCDM
15
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supermultiplette – Quarks & Leptonen
 Supermultiplette: SM-Teilchen & Superpartner mit NFermionen = NBosonen
skalare / chirale
Supermultiplette
Quarks
s=½
Squarks
Leptonen
Sleptonen
~
~
( uL , d L , uL , d L )
(u , u~ )
R
s=0
R
~
(d R , d R )
(n e , eL ,n~e , e~L )
( e , e~ )
R
16
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
R
KIT-IEKP
Supermultiplette – Eichbosonen
0 ~0
~
( g , g ) (B , B )
~ ~
(W  ,W 0 ,W  ,W 0 )
Eich- / vektorielle
Supermultiplette
Eichbosonen
Gauginos
( , ~ )
( g , g~ )
s=1
17
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
s=½
KIT-IEKP
Supermultiplette – Higgsbosonen
2 Higgs-Multiplette: Y = +½ , -½
Supermultiplette
~
~
Hu (Hu , Hu0 , Hu , Hu0 ) für Q = +⅔ e

0 ~  ~0
Higgsino
Hd (H d , H d , H d , H d ) für Q = -⅓ e, ℓ± Higgs
5 physikal. Zustände: h, H, A, H±
s=0
18
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
s=½
KIT-IEKP
Supersymmetrie - SUGRA
 Supergravitation: unter Einbeziehung der Gravitation wird SUSY von
einer globalen in eine lokale Eichsymmetrie erhoben
~
- Gravitino G (s = 3/2) mit Masse m3/2
Superpartner von Graviton G (s = 2)
s=2
Graviton
G
Graviton
19
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
~
(G,G )
s = 3/2
Gravitino
~
G
Gravitino
KIT-IEKP
LSP – Kandidaten: Übersicht
 Eigenschaften des LSP:
- keine elektromagnetische/starke Wechselwirkung
- neutral, da keine gebundenen Zustände mit Baryonen
(Bsp: Auftreten exotischer Isotope) beobachtet
 keine Squarks, geladene Sleptonen, Charginos, … als LSP!
 neutrale Superpartner in der SUSY:
- Sneutrinos (s = 0, Skalare: n~e, n~µ, n~t)
~
- Gravitinos (s = 3/2, Fermionen: G)
- Gauginos / neutrale Eichbosonen (s=½, Fermionen)
~0
~0
~
Photino , Zino Z & 2 neutrale Higgsinos H
20
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
~
n
s=0
~
G
s=3/2
~
c0
s=½
KIT-IEKP
LSP – Kandidaten: Sneutrinos
 Sneutrinos als LSP ?
- Sneutrinos = skalare Superpartner der SM-Neutrinos ne, nµ, nt
- ebenfalls rein linkshändig (schwache Wechselwirkung)
- identische Wechselwirkungsstärke relativ zu n´s
~ > 100 GeV sind nicht die dominante
~
- Sneutrinos mit M(n)
~
n
(n e ,n~µ ,n~t )
CDM-Komponente, da dann ihre Dichte im Universum
durch rasche Annihilationsprozesse vor dem Ausfrieren zu gering ist
 Sneutrinos-Limits an Beschleunigern
~ < 45 GeV aus
- LEP: Z0 Breite schließt M(n)
- am LHC bisher keine Hinweise auf Sneutrinos
~ > 0.5 – 1 TeV (2011)
- Massengrenze M(n)
21
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Mischungen von Gauginos & Higgsinos
 SUSY-Teilchen mit identischen Quantenzahlen mischen!
analoge Mischungs-Effekte wie bei SM-Teilchen
(Beispiel: Neutrinos, vgl. Kap. 4.2 in ATP-II)
Flavour-Eigenzustände
Gauginos & Higgsinos = Flavour-Eigenzustände
 existieren nur zum Zeitpunkt ihrer Wechselwirkung
 diese Zustände haben keine definierte Masse!
Massen-Eigenzustände
Higgsino
~
c0
Gauginos
Neutralinos & Charginos = Massen-Eigenzustände
 WIMPs während ihrer Propagation (Universum)
 die Flavour-Anteile definieren die Wechselwirkungsstärke (z.B. bei Annihilation, Streuung)!
22
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Gauginos & Higgsinos: Charginos
 elektroschwache Gauginos (4) und Higgsinos (4) mischen zu:
- 4 Neutralinos (4 Massen-Eigenzustände)
- 4 Charginos (2 Masseneigenzustände mit je 2 Ladungszuständen)
Charginos:
~+ ~ - die 2 geladenen SUSY-Gauginos, d.h. die Wino-Eichbosonen W W &
~ + ~die 2 geladenen Higgsinos H ,H weisen identische Quantenzahlen auf:
~
 Mischung zu 2 Fermion-Massenzuständen, den Charginos c ±
1,2
Flavourbasis
~  ~  ~ ~
W W Hu Hd
Mischungs-
 ~
~
c c
1
Matrix
23
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
Massenbasis
leicht
2
~
c+
schwer
KIT-IEKP
Neutralinos
Neutralinos:
~
~
B0
- die 2 neutralen supersymmetr. Eichbosonen (Gauginos) Bino
& Wino W0
~
~0
~
0
(bzw. Photino  & Zino Z ) & die 2 neutralen Higgsinos H haben identische
Quantenzahlen & mischen zu den 4 Neutralinos c0
Flavourbasis
~0 ~0 ~0
~
 0 Z Hu Hd
Massenbasis
4×4 Matrix
c~10 c~20 c~30 c~40
leicht
~
c0
schwer
elektroschwache
Symmetriebrechung
~0 ~ 0 ~0 ~0
B W Hu Hd
24
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
ist das leichteste Neutralino stabil?
KIT-IEKP
Supersymmetrisches Massenspektrum
Higgsino H0
Gluino g0
s=½
m½ =
GUT-Masse
aller Gauginos
~0
Wino W
~0
Bino B
~
c01
Neutralino
GUT Skala
m ~ 0.4 m½
25
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie: R-Parität & LSP
 leichtestes Neutralino c10 als CDM-WIMP muss kosmologisch stabil sein
 Einführung einer neuen multiplikativen Quantenzahl R-Parität RP
Rp = (-1)3B+L+2S
bzw.
Rp = (-1)3(B-L)+2S
Rp verknüpft mit B: Baryonenzahl, L: Leptonzahl, S: Spin
 SM-Teilchen: Rp = +1 (gerade)  Superpartner: Rp = -1 (ungerade)
 Superpartner können nur in Superpartner zerfallen
 Konsequenz:
26
12.01.2016
leichtestes SUSY Teilchen mit Rp = -1 ist stabil:
LSP (Lightest Supersymmetric Particle)
 stabiles LSP ist WIMP-Kandidat für CDM
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
(nicht-) thermische Teilchen
 thermische Erzeugung:
- Teilchen sind im heißen frühen Universum im thermischen Gleichgewicht
durch Wechselwirkungsprozesse
0
- bei Ausfriertemperatur Tfr wird Häufigkeit Wi und
L
L
free-streaming Länge li (CDM/HDM) festgelegt
- Beispiel: LH Neutrinos ni (HDM), LH Sneutrinos ni Neutralinos c0 (CDM)
n
~
n
~
c
 nicht-thermische Erzeugung:
- Teilchen sind im heißen frühen Universum nicht im thermischen
Gleichgewicht, ihre Wechselwirkungsprozesse sind zu schwach
- Häufigkeit Wi daher festgelegt durch Zerfallsraten der Mutterteilchen,
Oszillationsraten
- Beispiel: RH Neutrinos ni (WDM), RH Sneutrinos ni & Axionen a (CDM)
nR
27
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
~
a
a
~
G
KIT-IEKP
Neutralinos als LSP
 leichtestes Neutralino c~ 0 : Linearkombination aus Bino, Wino & Higgsinos
1
~
c10
~0
~0
~0
~0
0
~
c1  c1  B  c2  W  c3  H u  c4  H d
Gaugino-Anteil
Higgsino-Anteil
- Parameter ci sind sehr stark modellabhängig:
MSSM: Erwartung c1 » c2, c3, c4 (LSP = Bino)
NLSP ist das Wino, Higgsinos sind i.a. sehr schwer
NUHM: c3,4 dominant (Higgsino)
 leichtestes supersymmetrisches Neutralino c0 ist als LSP ein
1
idealer WIMP-Kandidat für CDM (aber Massen m½ < 1.5 TeV erforderlich!)
Eigenschaften: neutral, nur schwach wechselwirkend, Fermion mit s = ½
kosmologisch stabil (da Rp-Erhaltung),
Majorana-artig: Neutralino ist sein eigenes Antiteilchen
schwer (TeV-Skala), daher nicht-relativistisch bei Tfr
28
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie auf dem Teststand
Geprüfte SUSY
Richard P. Feynman
29
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
Supersymmetrie auf dem Teststand
Annihilation von
Neutralinos in
CDM-Halos
Erzeugung von
Neutralinos an
pp-Collider
~0
c0
c
f
f
Kap. 3.4
LHC
indirekt
Kap. 3.3
direkt
Streuung von
Neutralinos in
Detektor
30
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
Kap. 3.5
KIT-IEKP
3.3 Neutralinosuche am LHC
 p-p Kollisionen bei √s = 7-13 TeV Schwerpunktsenergie
Datennahme seit Frühjahr 2010
Ziele: - Nachweis des Higgs-Bosons
- Suche nach SUSY
4 Experimente :
CMS, ATLAS,
ALICE, LHCb
LHC
SPS
31
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
LHC: Higgs-Signal bei Run-I
 p-p Kollisionen bei √s = 7 TeV (5.1 fb-1) + 8 TeV (19.7 fb-1)
- SM-Higgs-Boson mit Masse MH = (124.7 ± 0.3) GeV 
- MH ~ 125 GeV erfordert starkes fine-tuning für SUSY!
32
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
LHC – Protonwechselwirkungen
 p-p Kollisionen bei √s = 13 TeV Schwerpunktsenergie
Datennahme 2015 LHC Run-II bei Ep = 6.5 TeV
- SM-Higgs-Boson
mit Masse
MH ~ 125
GeV  c0
Suche nach Signaturen
von SUSY:
Neutralinos
6.5 TeV
p
12.01.2016
6.5 TeV
p
 Neutralino-Signatur am LHC:
- fehlende Energie
- fehlender Transversalimpuls
- geladene Leptonen aus
Neutralino-Zerfällen
Kollisionspunkt
33
~
c0
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
3-Körper Zerfälle von Neutralinos
 Zerfall des zweitleichtesten Neutralinos c02 (NLSP) in das stabile
ℓ
±
c02 → c10 + ℓ ± + ℓ
±
leichteste Neutralino
0
c1(LSP):
~
c0
1
~c0
b
2
~
b
~±
ℓ
ℓ±
b
h0 : leichtes skalares Higgs
H0 : schweres skalares Higgs
A : pseudoskalares Higgs
34
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
LHC Run II @ 13 TeV – keine SUSY
 LHC mit höherem √ s = 13 TeV
(6-monatiger Run 6-11/2015)
- Luminosität 2015: ~ 4 fb-1
 2-Photon-Resonanz bei
m = 750 GeV??
- hohe Sensitivität auf SUSY-
Gluinos (Limit m > 1.5 TeV)
- Squarks (Limit m > 0.85 TeV)
- Limit auf Z´ (m > 3 TeV)
35
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP
LHC Run II – kein SUSY Signal bisher
Neutralino-Masse m(c0) [TeV]
 Aktuelle SUSY Limits und cMSSM-Analysen:
- √ s = 13 TeV :
keine Evidenz für SUSY Teilchen (ATLAS + CMS)
- LHC-Limits:
Gauginomasse m½ > 0.5 TeV, Gluino-Masse > 1.6 TeV
0.8
0.6
0.4
0.2
0.8
SUSY-Suche über Gluinos
36
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
1.0
1.2
1.4
1.6
~
Gluino-Masse m(g) [TeV]
KIT-IEKP
LHC Run II – kein SUSY Signal bisher
 Aktuelle SUSY Limits und cMSSM-Analysen:
- √ s = 13 TeV :
keine Evidenz für SUSY Teilchen (ATLAS + CMS)
- LHC-Limits:
Gauginomasse m½ > 0.5 TeV, Gluino-Masse > 1.6 TeV
37
12.01.2016
G. Drexlin – VL11
KIT-IEKP