30 jan. 2009 kosmologie, ws 08/09 prof. w. de boer 1 vorlesung 12: roter faden: 1.grand unified...

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer 1

Vorlesung 12:

Roter Faden:

1. Grand Unified Theories2. Vereinheitlichung aller Kräfte3. Baryon Asymmetrie4. Nachweis der Supersymmetrie


Was ist eine

Große Vereinheitlichte Theorie(Grand Unified Theorie, GUT)

Was ist Supersymmetrie?


Fundamentale Fragen der Teilchenphysik


Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetry

Symmetrie zwischenFermionen Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)


Große vereinigte Theorien (GUT)

GUT = Grand Unified Theory

Grundidee der großen Vereinigung

Die Symmetriegruppen des Standardmodells, SU(3), SU(2) und U(1), sind Untergruppen einer größeren Symmetriegruppe G.

Quarks und Leptonen gehören zu denselben Multiplets von G.

Die höhere Symmetrie G ist jenseits einer sehr hohen Massenschranke MG gültig. In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung G.

Für Energien unterhalb von MXc2 ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen-gleichung der entsprechenden Untergruppe.


SU(5) als einfachstes Beispiel einer GUT

SU(5) SU(3)FarbeSU(2)LU(1)Y

SU(5) ist die einfachste Symmetriegruppe (Rang 4), in die sich die SM Symmetriegruppen einbetten lassen.

vector antisymmetrischer Tensor

Quarks und Leptonen im gleichen Multiplet

Übergänge zwischen den Teilchen eines Multiplets

es gibt Baryon- und Leptonzahl verletzende Übergänge


Eichbosonen in der SU(5)• Fundamentale Darstellung: 5 und 5* Anzahl der Generatoren 5 5 - 1 = 24 24 Vektorteilchen

• Die SU(5) beinhaltet die bekannten Eichbosonen: Gluonen, W, Z0, .

• es treten 12 neue intermediäre Teilchen auf: X, Y vermitteln die Umwandlung von Leptonen in Quarks und umgekehrt.

• X- und Y-Teilchen tragen schwache Ladung (IW = 1), elektrische Ladung (q=1/3 und q=4/3) und zwei Farbladungen.


Vereinigung der Kräfte

1

2

( ) 128.978 0.027

sin 0.23146 0.00017

( ) 0.1184 0.0031

Z

MS

s Z

M

M

InputInput

OutputOutput3.4 0.9 0.4

15.8 0.3 0.1

-1GUT

10 GeV

10 GeV

26.3 1.9 1.0

SUSY

GUT

M

M

SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen.Die Kopplungskonstanten werden gleich groß.

Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991)

SM SUSY

Skalenverhalten: 1/i logQ2 beruht auf

radiativen Korrekturen


Running Coupling Constants


Running of Strong Coupling Constant


possible evolution of the universe


Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one.Hence many models to explain Baryon Asym.


Proton decay expected in GUT’s


R-Parität


R-Paritätserhaltung verhindert Protonzerfall

R-Parität verlangt dass am jeden Vertex ZWEI SUSÝ Teilchen vorkommen! Daher ist obenstehendes Diagramm verboten.Spin ½ Quark Austausch verboten durch Drehimpulserhaltung.


Some production diagrams


R-Parität bedeutet LSP ist perfekter Kandidat der DM

DM kann nur durch elastische Streuung mit normalerMaterie wechselwirken (R=-1 im Anfangs- und Endzustand)

DM kann annihilieren mit sich selbst-> Reduzierung der Dichteim Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wennAnnihilationsrate gleiche Größenordnung wie Expansionsrate.


Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22Com

ovin

g nu

mbe

r de

nsity

x=m/T

Jung

man

n,K

amio

nkow

ski,

Grie

st, P

R 1

995

WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!

Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.


Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

Egret: WIMP 50-100 GeVWMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s

A Z

Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV)Spin 0 Teilchen schwer (TeV)


Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie


Example of SUSY production and decay chain


Prinzip eines Teilchendetektors


Transverse slice through CMS detector


CMS Collaboration


Pixel endcap disks

214m2 of silicon sensors11.4 million silicon strips65.9 million pixels in final configuration!

The Tracker


Model of AMS-02 on ISS

AMS-02


Model of AMS-02 on ISS


AMS-02 Particle Identification


Expected rates in AMS-02


AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle


• During launch acceleration up to 9 g

• The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!)

• Temperature variations between –180 - +50 degree Celsius

• Maximum degasing on ISS: < 1 10-14 g/s/cm2

• Maximum weight 14708 lbs Cost: 10000 $/lbs

• Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V

• Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS

• Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of weight). Cooling without gravity?

Experimental constraints for experiments on the ISS


AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle


Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS


Zum Mitnehmen

Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte möglicheErklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklärenKandidat für Dunkle MaterieBeseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHCIndirekter Nachweis der Annihilation der DM (mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung (mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)


AUSBLICK

Hoffnung:

•Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen,

woher Ihre Masse kommt

•Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt

•Wir verstehen 27% der Energie des Universums statt

bisher 4%

IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei!(Higgsgruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe)

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