ppt - Institut für Kern
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Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Jenseits des Standardmodells: Supersymmetrie Vorlesung: Michael Kobel Dominik Stöckinger Übung: Anja Vest Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ I. Einführung I.1. Grenzen des Standardmodells (SM) Botenteilchen (Bosonen) und Bausteine (Fermionen) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ (Eine der) erfolgreichste(n) Theorie(n) der Physik! Theorie des Standardmodells, entwickelt 1961-1973 Relativistische Quantenfeldtheorie • Poincaré Symmetrie Basierend auf SU(3)c SU(2)l U(1)Y SU(3)c U(1)Q • Lokale Eich-Symmetrien Umfassende Vorhersagekraft für alle elementaren Prozesse Experimente zum Standardmodell, seit 40 Jahren Verifikation auf • QED: 10-12 –Level, z.B. (g-2)e • QFD: 10-4 –Level, z.B. W- und Z-Eigenschaften • QCD: 10-2 –Level, z.B. Wirkungsquerschnitte (NNLO) (noch) keine signifikanten (> 5s) Abweichungen zur Vorhersage Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Warum brauchen wir dann Physik jenseits des SM (BSM)? Das Problem der Symmetrien Warum gibt es gerade diese 3 Eichsymmetrien? Warum und wie ist die schwache Eichsymmetrie gebrochen? Gibt es weitere Symmetrien? Das Problem der Familien und Ladungen Warum gerade drei Familien, warum Quarks und Leptonen? Warum ist p+e neutral? Warum addieren sich S(NFarben*Qelek)=0 ? Warum ist Qelek überhaupt gequantelt? Das Skalenproblem (Hierarchie, Feinabstimmung) Warum ist v=246 GeV << MPl=1019GeV ? Das kosmologische CP-Problem Woher kam der 10-9 Materieüberschuss? Das Problem der Gravitation Quantentheorie? Vereinigung mit den anderen Wechselwirkungen? Hoffung auf GUT (Grand Unified Theorie) G SU(3)c SU(2)L U(1)Y … Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Why are all the interactions so similar in their structure? There are a number of possibilities: The first is the limited imagination of physicists: When we see a new phenomenon, we try to fit it in the frame-work we already have – until we have made enough experiments we don’t know that it doesn’t work… It’s because physicists have only been able to think of the same damn thing, over and over again. Another possibility is that it is the same damn thing over and over again – that Nature has only one way of doing things, and She repeats her story from time to time. A third possibility is that things look similar because they are aspects of the same thing – some larger picture underneath… Richard. P. Feynman, “The strange theory of light and matter” Princeton University Press, 1985 “Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie” Piper Taschenbuch, 9,95€ Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ One physicist's schematic view of particle physics in the 21st century (Courtesy of Hitoshi Murayama) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ I.2. Was ist Supersymmetrie “SUSY”? Super-Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Definiere Generator der SUSY Algebra Q (nicht Qelek!) Q|Boson >= |Fermion > und Q|Fermion >= |Boson > • Zu jedem Fermion existiert ein bosonischer Partner • Zu jedem Boson existiert ein fermionischer Partner SUSY verdoppelt die Zahl der Elementarteilchen Super-Symmetrie muss gebrochen sein, denn sonst • MFermion = MSfermion(Selektron, Sneutrino,…) , MBoson = M”Gaugino”(Photino, Gluino, …) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Coleman-Mandula-Theorem: [Lit] S. Coleman and J .Mandula, Phys.Rev. 159 (1967) 1251. Die maximalen Symmetrien für eine relativistische QFT sind Poincaré für Relativität der Bezugssysteme Interne (lokale) Eichsymmetrien Super-Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Vereinigung mit Gravitation [Lit] D. I. Kazakov, hep-ph/0012288, Section 2.1. Lectures at the European School on High Energy Physics, 2000 Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ I.3 Was ist so toll an “SUSY”? Theoretische Motivation für SUSY Maximal mögliche Symmetrie einer Quantenfeldtheorie (einzige?) Möglichkeit zur Vereinigung mit Gravitation Lösung des Hierarchie bzw. Feinabstimmungsproblems des SM Experimentell indirekt beobachtbar (diese und nächste Stunde) Beiträge in Schleifenkorrekturen • Vereinigung der Kopplungskonstanten • Masse des W-Bosons • Anomales magnetisches Moment (g-2)µ Liefert Kandidat für Dunkle Materie Pluspunkte für direkte Erzeugung an Collidern TeV-Skala SUSY in Reichweite am LHC Klare Signaturen der Ereignisse Große Wirkungsquerschnitte falsifizierbar durch LHC (für TeV-Skala SUSY) (später) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ II. Supersymmetrie in Strahlungskorrekturen II.1. Die Vereinigung der Kopplungen [Lit] Kazakov, de Boer Alle WW sind nur versch. niederenergetische Zweige einer GUT Die GUT hat nur eine Eichgruppe mit einer Kopplung Nach geeigneter Normierung von U(1)Y w.r.t SU(2)L und SU(3)c müssen dazu verglichen werden Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Laufende Kopplungen Tatsächlich bewegen sich ai(Q²) aufeinander zu Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Das Laufen von alpha_s Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Das Laufen der elektromagnetischen Kopplung s-Kanal aus 2-Fermion Daten: t-Kanal aus LEP1 Bhabha Streuung Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Vorhersagen [Lit] Kazakov 2.2, de Boer A.2 Standardmodell SUSY Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Entwicklung im Standardmodell Lösungen sind Geraden in log(Q²): Keine Vereinigung Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ SUSY Teilchen erzeugen vorhersagbare Knicke Vorhersage von MSUSY aus Randbed.: vereinte Kopplungen Variiere MSUSY, so dass Schnittpunkt bei aGUT(MGUT²) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ II.2. Die Vorhersage der W-Masse Standardmodell, niedrigste Ordnung mW = ½gWv , mZ = ½ √(gW²+ gY²)v Fundamentale SM-Parameter: gw=0.63 , gY=0.36, v=246 GeV • Experimentell am besten messbar: sin² qw , GF , mZ In jedem Fall Vorhersage der W Masse: mW = mZ gW/ √(gW²+ gY²) = mZ cos qw Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Strahlungskorrekturen: Ergebnis der Rechnung: Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Abhängigkeiten von mt und mH: Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Exper. Stituation innerhalb des SM, LEP-EWWG März 09 Viele Aspekte: Vorhersage mW(mt, mH): grün Konsistenztest des SM: Vorhersage von mt und mW aus LEP Präzisionsobservablen: rot Direkte Messung (Tevatron): mt = 173.1 ± 1.3 GeV SM Vorhersage: mW=(80.364 ± 0.020)GeV Direkte Messung: mW=(80.399 ± 0.023)GeV Differenz: D = (0.035 ± 0.028)GeV Vorhersage für SM Higgs Masse: mH=(87+35-26)GeV 20 Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Bemerkung zu LEP Präzisionsobservablen hep-ex/0612034 update 0911.2604 Fit innerhalb des SM 18 Observable c² / ndf = 18 / 13 Ergibt beeindruckende nicht-triviale (!) Konsistenz des SM Optimale mH Vorhersage Dmw = 0.007 Dmt Dmw = 10 MeV Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Experimentelle Methoden: W-Masse aus Rekonstruktion des Endzustands WW4q WWmnqq Jets and leptons 4 momenta reconstruction: tracks+calo Neutrino 4 momentum reconstruction: Spi=0 Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Rekonstruktion (nur scheinbar einfach) LEP: e+e- W+WVorteil: Neutrino ebenfalls rekonstruierbar Nachteil: “nur” ca 9000 W pro Experiment Tevatron `pp W + jets Nachteil: nur lept. Kanal mit transversaler Masse” MT Vorteil: hohe Statisik: mehrere 100.000 W pro Experiment u. Kanal Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Probleme in hadronischen Endzuständen bei LEP Gegenseitige Beeinflussung der Teilchen aus verschiedenen W im Endzustand Auf Quark-Level durch Color-Reconnection Auf Hadron-Level d. Bose-Einstein Kondensation systematische Verschiebung der Messung möglich $Keine Herleitung aus “First Principles” Modelle Aufwändige Studien aus Daten ( hep-ex/0612034 ) Unabhängige Kontrolldaten Vergleich mit verschiedenen Modellen Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Einfluss von SUSY auf die W-Masse: Squark Loops S.Heinemeyer, W. Hollik, G. Weiglein, Phys. Reports 425 (2006) 265 Abhängig von - Squark Massen - Top-Squark L-R Mischung Xt Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Bemerkungen SM: mH ist freier Parameter Präzisionsmessung (mt , mW) Einschränkung auf mH SUSY: m~t , X~t , m~b , X~b sind freie Parameter mh wird (aus diesen und anderen Parametern) vorhergesagt Präzisionsmessung (mt , mW) Einschränkung auf mt~ , X~t , mb~ , Xb~ SUSY Squark Korrekturen ~ SM Higgs Korrekturen umso größer, je kleiner die Squark massen (leichte SUSY) umso größer, je größer die L-R Squark Mischung (Xt) Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ 2-loop Korrekturen ebenfalls berechnet … Institut für Kern- und Teilchenphysik M.Kobel, D. Stöckinger: „Jenseits des Standardmodell: Superymmetrie u.a.“ Resultat: (mt , mw) Messung bevorzugt ganz leicht MSSM Heinemeyer, Hollik, Stöckinger et al hep-ph/0604147, update 2008 De Boer, Sander hep-ph/0307049
