Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

Urknall Teilchenphysik Astroteilchenphysik Astronomie

Kosmologie

13.7 billion years

10

s 95% of energy in universe of unknown nature

Elementarteilchen

10

s 10

s Dunkle Materie=

Supersymmetrischer Partner der CMB?

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 2

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetry

Symmetrie zwischen Fermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

SUSY Dark Matter

Neutralino = SUSY candidate for the cold Dark Matter Neutralino = the Lightest Superparticle (LSP) = WIMP

0 % 0 0

1 2

1 2 3 4

N N z N H N H

χ = γ + % + +

photino zino higgsino higgsino

exp

40 GeV M

≥

40 400 GeV

theor

M

= ÷

• Superparticles are created in pairs

• The lightest superparticle is stable

3( ) 2

( 1)

1, 1

B L S

p p

R

R R

= −

= + = −

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Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

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 M

gültig. In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung α

.

Für Energien unterhalb von M

c

ist die Symmetrie gebrochen. Die Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und

die Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der

Renormierungsgruppen-gleichung der entsprechenden Untergruppe.

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 6

SU(5) als einfachstes Beispiel einer GUT

SU(5) ⊃ SU(3) _Farbe ⊗ SU(2) _L ⊗ U(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

, Z

, γ .

• 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 (I

= 1), elektrische Ladung

(q= ± 1/3 und q= ± 4/3) und zwei Farbladungen.

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009

8

Vereinigung der Kräfte

1 2

( ) 128.978 0.027 sin 0.23146 0.00017

( ) 0.1184 0.0031

Z MS

s Z

M

M α

θ α

−

= ±

= ±

= ±

Input

Output

3.4 0.9 0.4 15.8 0.3 0.1 -1

GUT

10 GeV

10 GeV

26.3 1.9 1.0

SUSY GUT

M M α

± ±

± ±

=

=

= ± ±

SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen.

Die Kopplungskonstanten werden gleich groß.

Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991)

SM SUSY

Skalenverhalten: 1/ α

∝ logQ

beruht auf

radiativen Korrekturen

Running Coupling Constants

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 10

Running of Strong Coupling Constant

Vakuumenergie ⇒ abstoßende Gravitation

Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity ⇒ equivalent!

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Possible Evolution of the Universe

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 14

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

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009

16

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.

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 18

Some production diagrams

R-Parität bedeutet LSP ist perfekter Kandidat der DM

DM kann nur durch elastische Streuung mit normaler

Materie wechselwirken (R=-1 im Anfangs- und Endzustand)

DM kann annihilieren mit sich selbst-> Reduzierung der Dicht

im Vergleich mit den Photonen. Dichte wird nicht null, wenn

Annihilationsrate gleicher Größenordnung wie Expansionsrate

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Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance Actual abundance

T=M/22

Comoving number density

x=m/T

Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

WMAP -> Ω h ² =0.113 ± 0.009 ->

< σ v>=2.10 ^-26 cm ³ /s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:

≈ 1 WIMP/Kaffeetasse ≈ 10

<ρ>.

DMA ( ∝ ρ

) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+f T<M: M+M->f+f

T=M/22: M decoupled, stable density (wenn Annihilationsrate ≅ Expansionsrate,

i.e. Γ =< σ v>n χ (x

) ≅ H(x

) !)

Annihilation in leichtere Teilchen, wie Quarks und Leptonen -> π 0’s -> Gammas!

Einzige Annahme: WIMP = thermisches Relikt, d.h. im thermischen Bad des

frühen Universums erzeugt.

Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

Egret: WIMP 50-100 GeV WMAP: <σv>=2.10

cm

/s

χ χ

χ χ

χ χ

χ

χ

χ χ f

f

f

f

f

f

Z

Z W

χ

W χ

~ f

A Z

Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) ⇒

Spin 0 Teilchen schwer (TeV)

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Indirekte Suche nach Dunkler Materie

Annihilationsprodukte Dunkler Materie:

Gamma rays

(EGRET, FERMI)

Positronen ^(PAMELA) Antiprotonen (PAMELA)

e+ + e-

(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)

e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung

G.F. 5000 cm ² sr Exposure > 3 yrs

dP/P

~ 0.004 Î 2.5 TV, p rejection = 10

(ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 24

AMS to be launched in 2010

AMS

AMS on ISS

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 26

The AMS superconducting Magnet at CERN (2008)

26 Coils

He Tank

Magnet inside vacuum tank

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 28

Current Status (May 2009)

The magnet is at 1.7 K

The system is fully leaktight to superfluid helium The magnet is being commissioned

and other detector components will be integrated in 2009. Flight to ISS 2010.

Note: all components have been integrated in2008 in spare vacuum vessel and have been thoroughly

tested. They worked as expected.

Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 30

Model of AMS-02 on ISS

Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 32

Example of SUSY production and decay chain

Prinzip eines Teilchendetektors

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 34

Transverse slice through CMS detector

CMS Collaboration

Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 36

Pixel endcap disks

214m

of silicon sensors 11.4 million silicon strips

65.9 million pixels in final configuration!

The Tracker

Zum Mitnehmen

Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte ⇒ mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie Higgs Mechanismus um Massen zu erklären

Kandidat für Dunkle Materie

Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:

(bisher noch nicht gefunden!)

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHC

Indirekter Nachweis der Annihilation der DM

(mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)

Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung

(mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)