3. Physik jenseits des Standardmodells
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Einführung Das Standardmodell Physik jenseits des Standardmodells Kurz zur Foliengliederung und dem Vortrag… 4 Rubriken 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Kurze Zusammenfassung nach jeder Rubrik Fragen gerne während des Vortrags stellen! Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 3 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten 1. Einführung Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Zum heutigen Thema Folie: 5 "The standard-model is working too well", "das Standardmodell Standardmodell bis heute funktioniert extrem erfolgreich aller einfachim zuBeschreiben gut" (...als dass Phänomene der Teilchenphysik (bis 1sein TeV) es falsch könnte) Dieser die Satz vondas Richard Feynman Trotzdem gibt es viele Theorien, über Standardmodell steht symbolisch für bei die Stärke hinausgehen, da erwartet wird, dass das Modell hohen des Standardmodells. Energien nicht mehr gelten kann. Bei Energien um die Planckmasse: Stärke der Gravitations-WW ~ elektromagn. WW Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Zum heutigen Thema Folie: 6 Viele theoretische Modelle jenseits des Standardmodells Grand Unified Theories (GUTs) Composite Modelle Substruktur der Quarks und Leptonen (Preonen) Technicolor neue starke Wechselwirkung Contact Interactions 4-Fermionen vertices durch Substruktur oder eine neue Wechselwirkung mit schweren Teilchen Supersymmetrie neue Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen String Modelle Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Die Entwicklung des Universums Folie: 7 Symmetriebrechung Atom: 10-10m Kern: 10-15m Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Kurzer historischer Rückblick 1897 1905 1911 1919 1923 1926 1927 1928 1935 1940 1946 Folie: 8 Entdeckung des Elektrons (Thomson) Photon als Quant der elektromag. Feldes (Einstein) Entdeckung des Atomkerns (Rutherford) Entdeckung des Protons Teilchen-Welle-Dualismus (de Broglie) Wellenmechanik (Schrödinger) Unschärferelation (Heisenberg) Dirac-Gleichung, Vorhersage von Antimaterie (Dirac) Yukawa-Theorie der Kernkraft (Yukawa) Spin-Statistik-Theorem Urknall-Modell Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Kurzer historischer Rückblick 1948 1957 1964 1965 1968 1971 1973 1977 1983 1995 2003 Folie: 9 Quantenelektrodynamik (QED) (Tomonaga, Schwinger, Feynman) Paritätsverletzung in der schw. WW (Wu) Einführung der Quarks und des Quarkmodells (Gell-Mann, Zweig) Einführung der Farbladung der Gluonen (Greenberg) Theorie der elektroschw. WW (Weinberg, Salam, Glashow) Renormierbarkeit (nicht-abelscher) Eichtheorien (t`Hooft, Veltman) Quantenchromodynamik (QCD) (Gross, Politzer, Wilczek) Entwicklung des Standardmodells Entdeckung von Z0 und W±–Bosonen (Rubbia, van der Meer) Entdeckung des Top Quarks Messung der Energiedichte des Universums, dunkle Energie Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Symmetrien Folie: 10 Symmetrien in der Physik grundlegendes Konzept der modernen Physik Symmetrie-Transformation (z.B. kontinuierliche Koordinatentransformationen wie Translation oder Rotation, aber auch diskrete Transformationen wie z.B. Spiegelung) Symmetrien in grundlegenden Theorien und konkreter Systeme (z.B. Moleküle, Festkörper) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Symmetrien Folie: 11 Symmetrien in der Physik Symmetrie in grundlegenden Theorie: physikalische Gesetze, ändern sich nicht bei Symmetrietransformation Invarianz des Systems unter der entsprechenden Symmetrieoperation. Zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eines Systems gehört nach dem Noether-Theorem eine Erhaltungsgröße. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Symmetrien Folie: 12 Kontinuierliche Symmetrien Homogenität der Zeit: Energieerhaltung Homogenität des Raumes: Impulserhaltung Isotropie des Raumes: Drehimpulserhaltung Relativitätsprinzip: Schwerpunktsatz Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Symmetrien Folie: 13 Diskrete Symmetrien Gittersymmetrien, Rauminversion P (Paritätstransformation), Zeitinversion T, Ladungskonjugation C Symmetrieverletzungen Thermodynamik ist nicht T-invariant: Entropie zeichnet eine Zeitrichtung aus Auf mikroskopische Ebene: C-, P- und T-invariant. Ausnahme (bis jetzt): schwache Wechselwirkung: Verletzung der P-Invarianz (Wu-Experiment) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Symmetrien Folie: 14 Symmetrieverletzungen Man glaubte: schwache Wechselwirkung immerhin CPinvariant (symmetrisch bezügl. gleichzeitiger Spiegelung und Austauschung von Teilchen und Antiteilchen) Experimente an K-Mesonen und B-Mesonen, bewiesen Gegenteil P-Verletzung maximal, CP-Verletzung ein kleiner Effekt, Grundvoraussetzung für die Baryonenasymmetrie, also Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Feldtheorien Folie: 15 Feldtheorien mathematischer Unterbau zur Beschreibung all jener physikalischen Effekte, die durch Kräfte und Wechselwirkungen hervorgerufen werden. können über Langrangedichten beschrieben werden. LD sind eine Erweiterung des Lagrange-Formalismus der Mechanik. Ist für eine Feldtheorie eine Lagrangedichte bekannt, dann führt eine Variation der Wirkung auf die Eurler-Langragegleichung der Feldtheorie: Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Quantenfeldtheorien Folie: 16 Eine Quantenfeldtheorie (QFT) beschreibt WW zwischen Elementarteilchen. Theorie kombiniert Prinzipien klassischer Feldtheorien und der Quantenmechanik zur Bildung einer erweiterten Theorie. nichtrelativistische wie relativistische QFT In QFT, Quantisierung der WW vermittelnden Felder (2. Quantisierung) Diese berücksichtigt explizit die Entstehung und Vernichtung von Elementarteilchen (Paarerzeugung, Annihilation). Alle die Wirklichkeit beschreibenden Quantenfeldtheorien sind Eichfeldtherorien Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Konkrete Quantenfeldtheorien Folie: 17 Quantenelektrodynamik (QED) Quantisierung der Maxwellschen Gleichungen. Sie erklärt mit hoher Genauigkeit die elektromagn. WW zwischen geladenen Teilchen (zum Beispiel e-, µ, q) mittels Austausch von virtuellen Photonen Elektroschwache Wechselwirkung Physikalisch geschlossene Formulierung nach Vereinheitlichung mit der QED im elektroschwachen SM an. Die Wechselwirkung wird hier durch Photonen, W- und Z-Bosonen vermittelt. Higgsteilchen Quantenchromodynamik (QCD) Beschreibt starke WW, Quarks und Gluonen. Gluonen wechselwirken selbst miteinander: keine freien Quarks Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Zum heutigen Thema 2. Das Standardmodell Geschichtliches 3. Physik jenseits des Standardmodells Begrifflichkeiten Zusammenfassung: Einführung Folie: 18 Zusammenfassung Standardmodell erklärt vieles, aber nicht alles. Erweiterung des Standardmodells Symmetrien! Quantenfeldtheorien Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells 2. Das Standardmodell Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Einführung Die Materieteilchen Das Standardmodell Wechselwirkungen Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Gliederung: Das Standardmodell Folie: 20 Kurz Dievorgestellt: Materieteilchen Was ist das Standardmodell? beschreibt Wechselwirkungen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen enthält Probleme des Standardmodells Quantenfeldtheorien der starken Wechselwirkung und der elektroschwachen Wechselwirkung sowie Massen und Ladungen der Elementarteilchen erklärt fast alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Beobachtungen Allerdings ist das Standardmodell unvollständig Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Die Materieteilchen Folie: 21 Quarks/Leptonen Eine Spalte enthält eine „Generation“ Eine Zeile enthält Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Quarks und Leptonen Folie: 22 Quarks und Leptonen sind elementar sind Fermionen (Spin ½-Teilchen), unterliegen der Fermi-Dirac-Statistik (Pauli-Prinzip) Quarks treten in 6 Flavours auf (u, d) (c, s) (t, b) Ladungen: (+2/3, -1/3) (+2/3, -1/3) (+2/3, -1/3) 3 Farbladungen (starke WW: rot, grün, blau) keine „freien Teilchen“ (farbneutrale Zustände) >> Hadronen: Baryonen, Mesonen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Quarks und Leptonen Folie: 23 Leptonen treten in 6 Flavours auf (e, e),( , ),( , ) Ladungen: (-1, 0) (-1, 0) (-1, 0) Keine Farbladung (keine starke WW) „freien Teilchen“ Zu jedem dieser Teilchen gibt es ein Antiteilchen Gleiche Masse, gleiche Lebensdauer, gleicher Spin, Parität,… Umgekehrtes Vorzeichen der Ladungsquantenzahlen Teilchen und Antiteilchen können annihilieren (z.B. in Photonen) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Wechselwirkungen Folie: 24 Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie Starke Wechselwirkung Quantenchromodynamik Elektromagnetische WW + schwache WW Elektroschwache Theorie Zu jeder Eichtheorie existiert ein sog. Eichboson Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Langrangedichte des Standardmodells Folie: 25 kinetische Energie und Selbstwechselwirkung Kinetische Energie der Leptonen und Quarks und Wechselwirkung mit W+, W-, Z0, γ Masse von W+, W-, Z0, γ Und Higgs und Kopplung der Eichbosonen an Higgs Masse von Leptonen und Quarks und Kopplung an Higgs Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Probleme des Standardmodells Folie: 26 Das Eichproblem Das Parameterproblem Das Fermionenproblem Das Problem der Ladungsquantisierung Das Hierarchie Problem Das Hierarchie Eichproblem Parameterproblem Fermionenproblem Problem der Problem Ladungsquantisierung mindestens Warum gibt 3 sind ist Generationen die es 18 die relative gerade freie Ladungen Parameter Stärke drei vonvon unabhängige Quarks der Protonen imschwachen Standardmodell und Leptonen? Symmetriegruppen? und Kraft Elektronen im Nur Reduktion Bestehen Vergleich eine Symmetriegruppe zu sie ihrer den aus Anzahl anderen noch fundamentaleren möglich? Wechselwirkungen möglich? Teilchen? um so viele exakt gegensätzlich? Ordnungen (Faktor 10-14) geringer? Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Probleme des Standardmodells Folie: 27 Exkurs: Der Higgs-Mechanismus Darüber hinaus: Theorie, die1964 von Peter Higgs ausgearbeitet Woher kommt die Masse? wurde, um Masse zu erklären. Motivation Wo ist das Higgs-Boson? Eichbosonen haben manchmal Masse (W±) -> Massenterme Gibt es dunkle Materie/Energie? in den Bewegungsgleichungen Eichfelder Ungleichgewicht: Materie-Antimaterie? ändern sich unter lokalen Symmetrietransformationen (Eichtrafos)! Eigenschaften der Grundkräfte beruhen darauf, dass BewegGl. sich bei Eichtrafos nicht ändern Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Exkurs: Der Higgs-Mechanismus Folie: 28 Einführung eines Higgs-Feldes Spontane Symmetriebrechung Higgs-Teilchen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 1. Einführung Die Materieteilchen 2. Das Standardmodell Wechselwirkungen 3. Physik jenseits des Standardmodells Probleme des Standardmodells Zusammenfassung: Das Standardmodell Zusammenfassung 12 Sorten elementarer Bausteine: 6 Quarks und 6 Leptonen Dazu kommen noch die Austauschteilchen der vier fundamentalen Wechselwirkungen. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 29 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion 3. Physik jenseits des Standardmodells Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) starke, schwache und elektromagnetische Kraft verschiedene Zweige einer einzigen Wechselwirkung Vereinheitlichung der Kräfte bei sehr hohen Energien. Kopplungskonstanten bei sehr hohen Energien (1014 GeV ) etwa gleich groß Das heißt, bei diesen Energien gibt es eine große Symmetrie, wo alle Massen und Kopplungen gleich groß sind. Mit heutigen Experimenten beobachten wir nur den niederenergetischen Teil, wo die Symmetrie gebrochen ist und die Kopplungen aufspalten Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 31 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 32 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 33 Grundannahme in GUT: des Standardmodells Exkurs: Symmetriegruppen eine große Eichsymmetrie (nur eine Kopplung) U (1) e e Symmetriegruppe GGUT=SU(N) SU(3) x SU(2) x U(1) ist Teilmenge von GGUT e e i e Gruppe definiert auch Zusammenhang der 3 e L e L Kopplungskonstanten SU (2) z.B. W ,W GGUT ist spontan durch ein Higgsfeld gebrochen, ddie X-Bosonen d grün wodurch Masse kriegen blau Gluonen d grün e i d rot d d bei Erst durch 100 rot2.Symmetriebrechung blau GeV kriegen auch die SU (3) Quarks, Leptonen und die Eichbosonen Masse Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 34 SU(5) ist einfachste GUT: erste Obermenge des Standardmodells, die eine Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen theoretisch ermöglicht 52 -1 = 24 WW-Bosonen SM: 8 Gluonen + 3 (W+, W-, Z) + 1 Photon = 12 WW-Bosonen 24 – 12 Bosonen des SM = 12 neue WW-Bosonen für SU(5) = 6 farbige, geladene Bosonen und ihre Antiteilchen geben (Y mit Ladung -1/3, Z mit -4/3) Ihr Name: Leptoquarks (X, Y-Bosonen) können Quarks in Leptonen umwandeln und umgekehrt Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Kopplungskonstante (KK) Folie: 35 Exkurs: Eindimensionale Größe: beschreibt Wechselwirkung zw. Quantenfluktuationen Austauschteilchen und dazugehörigen Ladungen In Quantenfeldtheorie erscheint Vakuum als dynamisches Medium, Folglich: 4 Kopplungskonstanten in dem ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und wieder verschwinden Kopplungskonstanten sind Energieabhängig. Warum? Teilchen existieren nicht permament: Virtuelle Teilchen Es treten sog. Vakuumfluktuationen (Quantenfluktuationen) auf Energie für ihre spontane Erzeugung ist über die Energie-Zeit-Unschärfe gedeckt Dadurch: KK nimmt bei der QED für höhere Energien zu in QCD dagegen ab E t 2 Effekt wird „das Laufen der Kopplungskostanten“ genannt Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion starke Kopplungskonstante Folie: 36 Hier sind zwei Effekte wichtig Eine Abschirmung der starken Ladung durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare: Eine Verstärkung der starken Ladung durch eine Gluonenwolke um die Quarks: Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Folgen der GUT Folie: 37 Die Existenz von magnetischen Monopolen wird vorhergesagt! GUT lässt Protonenzerfall zu: theoretischer Wert deckt sich nicht mit experimentell bestimmten Wert: Standard-GUT ausgeschlossenen Lebensdauer experimentell: 1031 Jahre Aus GUT-Theorie p -> e+ + Pi0 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen 1028-30 Jahre Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Weinbergwinkel aus GUT Folie: 38 Ein wichtiges Ergebnis von GUT ist, dass der Weinbergwinkel vorhergesagt wird. Da es nur eine Kopplungskonstante gibt, sind g und g` nicht mehr unabhängig. Aus gruppentheoretischen Überlegungen folgt Dieser Wert gilt allerdings nur bei SU(5) Symmetrie, also bei sehr hohen Energien. Da g` von U(1) zu kleinen Energien abnimmt während g von SU(2) zunimmt, wird g`/g kleiner. Man erhält mit den Korrekturen einen Wert von 0,22 , was ganz gut mit dem experimentellen Wert von 0,23 zusammenpasst. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Probleme der GUT Folie: 39 Kopplungskonstanten treffen sich nicht wirklich Vereinheitlichung ist nur möglich, wenn neue Physik zwischen der elektroschwachen und der Planckskala dazukommt. Mit einer supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (MSSM) hingegen kann eine perfekte Vereinigung der Kopplungskonstanten erreicht werden. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Probleme der GUT / Lösung: Supersymmetrie Folie: 40 Evolution of Coupling Constants in SUSY Evolution of Coupling Constants in the SM 70 60 60 50 50 40 40 a3 a2 a1 1/ a 1/ a 70 30 30 20 20 a3 a2 a1 10 0 0 10 5 10 10 10 Mass(GeV) 15 10 10 0 0 10 5 10 10 10 Mass(GeV) 15 10 20 10 Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem zu vermeiden, fordert man zu jedem SMFermion einen supersymmetrischen Boson-Partner und umgekehrt. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Supersymmetrie Folie: 41 Ursprüngliche Idee (70er Jahre): Einführung einer Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen SUSY die einzige Gruppe, welche mit der Gruppe der Drehungen und Translationen eine Gruppe bildet, die Gravitation erklären könnte Ende 70er Jahre: Standardmodell hat 6 Quarks und 6 Leptonen SUSY nur realisierbar bei Verdoppelung der Teilchenzahl Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Supersymmetrie Folie: 42 Verdopplung der Teilchenzahl: Jedes Fermion erhält supersymmetrischen Boson-Partner und umgekehrt Konstruktion der Namen: „s“ vor den Namen der Fermionen „ino“ hinter den Bosonnamen Neue multiplikative Erhaltungsgröße R-Parität = 3B+L+2s SM-Teilchen: R = +1 SUSY-Teilchen: R = -1 Beispiel: Photon koppelt an e+ - e- -Paare, aber Photino nicht an Selektron-SpositronPaare Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Verdopplung der Teilchenanzahl bei SUSY Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 43 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Erklärung der dunklen Materie mit SUSY Leichtestes supersymmetrisches Teilchen (LSP) Ein Photon mit Spin ½: Photino Masse < 1 TeV Parität R eine multiplikative Erhaltungsgröße Sparticle- und Antisparticle Produktion nur in Paaren möglich Zerfall in normale Materie unmöglich LSP ist stabiles Teilchen Möglicher Kandidat für Dunkle Materie Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 44 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 4. Ausblick & Diskussion Zusammenfassung: Physik jenseits des Standardmodells Zusammenfassung GUT erweitert das Standardmodell um die starke Wechselwirkung GUT hat aber immer noch Schwächen, z.B treffen sich die Kopplungskonstanten nicht in einem Punkt Abhilfe: Einführung von supersymmetrischen Teilchen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells Folie: 45 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung 4. Ausblick und Diskussion Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Lösungen des Standardmodells Folie: 47 Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in einem Multiplett Warum gibt es 3 Generationen? Lsg.: keine Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära) Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Bestätigung der GUT und SUSY vergrößern Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Lösungen des Standardmodells Folie: 48 Warum gibt es 4 Kräfte? Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte Mind. 18 Parameter sind im Standardmodell experimentell zu bestimmen Lsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächst Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson verletzt Wo ist das Higgs-Boson? Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Die Zukunft… Folie: 49 Bisher keine Anzeichen für SUSY Hoffnung auf LHC am CERN LHC deckt weiten Parameterbereich ab Falls SUSY existiert, gute Chancen diese am LHC zu finden! Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Large Hardron Collider am CERN Folie: 50 Fakten zum LHC Umfang: 26,7 km Magnete: supraleitend bei 1,9 K Magnetfeld: max. 9 Tesla Kollidierende Teilchen: Protonen und schwere Ionen Schwerpunktenergie: 14 TeV für Protonen, 1150 TeV für Schwerionen Kollisionsrate: max 40. Mio/sec. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Large Hardron Collider am CERN Folie: 51 Experimente ALICE Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisonen von Schwerionen, Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma ATLAS Vielzweckdetektor für Proton-Proton-Kollisionen, Nachweis des Higgs-Bosons? CMS Vielzweckdetektor für Proton-Proton-Kollisionen LHC-B Proton-Proton-Kollisionen, spezialisiert auf Messung der Eigenschaften von Hadronen mit Bottom-Quarks, CP-Verletzung Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Large Hardron Collider am CERN Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Folie: 52 Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung SM - SUSY Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Folie: 53 Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung Was sollte man sich merken... Folie: 54 Es gibt weiterhin spannende, offene Fragen in der Elementarteilchenphysik Große vereinheitlichte und supersymmetrische Theorien sind Vorschläge zur Beantwortung einiger (aber nicht aller) Fragen Basis der Ansätze sind: größere zugrunde liegende Symmetriegruppe Symmetrie zwischen Quarks und Leptonen Vereinigung der Kräfte bei einer hohen Energieskala LHC wird über SUSY-Modelle entscheiden Nicht besprochen: große Extra-Dimensionen, String-Theorie, … Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells
