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Physik jenseits des Standardmodells
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Physik jenseits des Standardmodells
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Inhalt
Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells
Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung
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Inhalt
Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells FermionenFermionen WechselwirkungenWechselwirkungen Sonstige ProblemeSonstige Probleme
Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung
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Wiederholung: Die Fermionendes Standardmodells
Die QuarksDie Quarks
u u u u uu c c c c cc t t t t tt
d d d d dd s s s s ss b b bb bb
Die LeptonenDie Leptonen
ee-- -- --
ee
Quarks/Quarks/LeptonenLeptonen
Eine Spalte Eine Spalte enthält eine enthält eine „Generation“„Generation“
Eine Zeile Eine Zeile enthält Teilchen enthält Teilchen mit ähnlichen mit ähnlichen EigenschaftenEigenschaften
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen
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Probleme: Die Fermionendes Standardmodells
Warum stimmt die Ladung des Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? (direkt Elektrons überein? (direkt nachgewiesen mit einer relativen nachgewiesen mit einer relativen Genauigkeit von 10Genauigkeit von 10-20-20))
Warum gibt es 3 Generationen?Warum gibt es 3 Generationen?
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen
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Wiederholung: Die WW im Standardmodell
Allgemeine Relativitätstheorie Quantenchromodynamik
Elektroschwache Theorie
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen
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Probleme:Die WW im Standardmodell
Der Gültigkeitsbereich der Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Theorien ist beschränkt (Planck-Ära)Ära)
Warum gibt es 4 Kräfte?Warum gibt es 4 Kräfte?
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen
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Sonstige Probleme / Ungelöste Fragen des SM
Mindestens 18 Parameter im Mindestens 18 Parameter im Standardmodell sind experimentell zu Standardmodell sind experimentell zu bestimmenbestimmen(z.B. die Massen der Fermionen und der Bosonen, die (z.B. die Massen der Fermionen und der Bosonen, die Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Matrix, die leptonische Mischungsmatrix)Matrix, die leptonische Mischungsmatrix)
Dunkle Materie!?Dunkle Materie!? Wo ist das Higgsboson?Wo ist das Higgsboson? Materie und Antimaterie-UngleichgewichtMaterie und Antimaterie-Ungleichgewicht u.a.u.a.
Probleme/Wiederholung des Standardmodells – Sonstige Probleme
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Inhalt
Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells
Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories Exkursion: SymmetriegruppenExkursion: Symmetriegruppen Die SU(5)Die SU(5) Vereinheitlichung der Vereinheitlichung der
KopplungskonstantenKopplungskonstanten SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung
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Exkursion: Symmetriegruppen des Standardmodells
blau
rot
grüni
rot
grün
blau
d
d
d
Gluonene
d
d
d
)3(SU
ee )1(UL
ei
Le ee
e
)2(SU WWBz ,..
Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen
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Definition:Grand Unified Theories
Die GUTs versuchen die starke, die Die GUTs versuchen die starke, die schwache und die schwache und die elektromagnetische Kraft zu elektromagnetische Kraft zu vereinenvereinen
Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen
)1()2()3( USUSU
Die Symmetriegruppe des Die Symmetriegruppe des Standardmodells:Standardmodells:
)1()2()3( USUSUG
Idee: Diese Symmetriegruppe ist Idee: Diese Symmetriegruppe ist teil einer größeren teil einer größeren Symmetriegruppe GSymmetriegruppe G
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Die SU(5) Die SU(5) ist die kleinste einfache Die SU(5) ist die kleinste einfache
Symmetriegruppe, die das Standardmodell Symmetriegruppe, die das Standardmodell beherbergen kann:beherbergen kann:
Grand Unified Theories – Die SU(5)
Le
blau
rot
grün
e
d
d
d
ZWYYY
WZXXX
YXZggg
YXgZgg
YXggZg
0
0
0
0
0
][
][
][
Die neuen X- und Y-Bosonen können Die neuen X- und Y-Bosonen können Quarks in Leptonen umwandeln und Quarks in Leptonen umwandeln und umgekehrtumgekehrt
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Phänomenologie der SU(5):Der Protonenzerfall
p -> ep -> e++ + + 00
GeVM X1510
ap32105
Lebensdauer des Protons für diesen Zerfallsmodus:
Grand Unified Theories – Die SU(5)
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Zur elektromagnetischen Kopplungskonstanten
)(
1
4
12
21
0 rr
qqF
r
)('
r
r
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
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Zur starken Kopplungskonstanten
Hier sind zwei Effekte wichtig:Hier sind zwei Effekte wichtig: Eine Abschirmung der starken Ladung Eine Abschirmung der starken Ladung
durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare:durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare:
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
Eine Verstärkung der starken Ladung Eine Verstärkung der starken Ladung durch eine Gluonenwolke um die durch eine Gluonenwolke um die Quarks:Quarks:
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Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten im SM
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht => Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht übereinüberein
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Inhalt
Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells
Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie
ÜberblickÜberblick KonsequenzenKonsequenzen Experimentelle ÜberprüfungExperimentelle Überprüfung
ZusammenfassungZusammenfassung
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Supersymmetrie Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit
BosonenBosonen Sie sagt zu jedem Teilchen des Standardmodells Sie sagt zu jedem Teilchen des Standardmodells
mit Spin j ein weiteres Teilchen mit Spin j-1/2 mit Spin j ein weiteres Teilchen mit Spin j-1/2 vorausvoraus
Supersymmetrie - Überblick
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Die Teilchen der SUSY
Supersymmetrie - Überblick
Aber: Sie ist entweder gebrochen oder keine exakte Symmetrie der Natur
Masse der neuen Teilchen von der Größenordnung 1 TeV
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Die Kopplungskonstanten im MSSM
=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie => Protonenzerfall stimmt mit Theorie übereinüberein
Supersymmetrie - Konsequenzen
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Experimentelle Überprüfung
Masse der SUSY-Masse der SUSY-Teilchen: O(1 TeV)Teilchen: O(1 TeV)
LEPII und LEPII und Tevatron: O(100 Tevatron: O(100 GeV)GeV)
LHC: LHC: SchwerpunktsenerSchwerpunktsenergie von 14 TeVgie von 14 TeV
Supersymmetrie – Experimentelle Überprüfung
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Inhalt
Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells
Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung
Lösung der Probleme des Lösung der Probleme des Standardmodells?Standardmodells?
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Zusammenfassung I Warum stimmt die Ladung des Protons mit Warum stimmt die Ladung des Protons mit
der Ladung des Elektrons überein? der Ladung des Elektrons überein? Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in einem Multipletteinem Multiplett
Warum gibt es 3 Generationen?Warum gibt es 3 Generationen?Lsg.: keineLsg.: keine
Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära)beschränkt (Planck-Ära)Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Bestätigung der GUT und SUSY vergrößernBestätigung der GUT und SUSY vergrößern
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Zusammenfassung II Warum gibt es 4 Kräfte?Warum gibt es 4 Kräfte?
Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 KräfteLsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte Mindestens 18 Parameter im Standardmodell Mindestens 18 Parameter im Standardmodell
sind experimentell zu bestimmensind experimentell zu bestimmenLsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächstLsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächst
Materie und Antimaterie-UngleichgewichtMaterie und Antimaterie-UngleichgewichtLsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson verletzt verletzt
Wo ist das Higgsboson?Wo ist das Higgsboson?Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesenLsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen