Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

(1)

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

Vorlesung 12:

Roter Faden:

1. Grand Unified Theories

2. Vereinheitlichung aller Kräfte 3. Baryon Asymmetrie

4. Nachweis der Supersymmetrie

(2)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²

ist eine Was

Große Vereinheitlichte Theorie (Grand Unified Theorie, GUT)

Was ist Supersymmetrie?

(3)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ³

Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

(4)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ⁴

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Supersymmetry

Symmetrie zwischen Fermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

(5)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ⁵

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

_G

gültig.

In diesem Bereich gibt es nur noch eine Eichkopplung α

G

.

Für Energien unterhalb von M

_X

c

²

ist die Symmetrie gebrochen. Die

Eichkopplungen der einzelnen Wechselwirkungen sind unabhängig und die

Energieentwicklung ist unterschiedlich gemäß der Renormierungsgruppen-

gleichung der entsprechenden Untergruppe.

(6)

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

(7)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ⁷

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

⁰

, 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

_W

= 1), elektrische Ladung

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

(8)

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

8

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

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

i

∝ logQ

²

beruht auf

radiativen Korrekturen

(9)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ⁹

Running Coupling Constants

(10)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹⁰

Running of Strong Coupling Constant

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30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹¹

possible evolution of the universe

(12)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹²

(13)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹³ Be aware: more phase transitions than GUT one, e.g. Electrow. one.

Hence many models to explain Baryon Asym.

(14)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹⁴

Proton decay expected in GUT’s

(15)

15

¹⁵

R-Parität

(16)

16

¹⁶

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.

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30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹⁷

Some production diagrams

(18)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹⁸

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 Dichte

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

Annihilationsrate gleiche Größenordnung wie Expansionsrate.

(19)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ¹⁹

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

⁵

<ρ>. DMA ( ∝ ρ

²

) 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 Annihilationrate

≅

Expansions- rate, i.e.

Γ =< σ v>n χ (x

_fr

) ≅ H(x

_fr

) !)

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.

(20)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁰

Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

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

^-26

cm

³

/s

χ χ

χ

χ χ f

f

f f

Z Z W

W

χ

^±

χ

⁰

~

f

A Z

Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV) ⇒

Spin 0 Teilchen schwer (TeV)

(21)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²¹

Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

(22)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²²

Example of SUSY production and decay chain

(23)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²³

Prinzip eines Teilchendetektors

(24)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁴

Transverse slice through CMS detector

(25)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁵

CMS Collaboration

(26)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁶

Pixel endcap disks

214m

²

of silicon sensors 11.4 million silicon strips

65.9 million pixels in final configuration!

The Tracker

(27)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁷

Model of AMS-02 on ISS

AMS-02

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Model of AMS-02 on ISS

(29)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ²⁹

AMS-02 Particle Identification

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

Expected rates in AMS-02

(31)

30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ³¹

AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

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30 Jan. 2009 Kosmologie, WS 08/09 Prof. W. de Boer ³²

• 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/cm

²

• 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

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AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

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Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS

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