5 Neutralino als Kandidat der DM

Vorlesung 12:

Roter Faden:

1. Grand Unified Theories 2. Supersymmetrie

3. Vereinheitlichung aller Kräfte g 4. Baryon Asymmetrie

5 Neutralino als Kandidat der DM

5. Neutralino als Kandidat der DM

Was ist eine Was

Große Vereinheitlichte Theorie (G d U ifi d Th i GUT) (Grand Unified Theorie, GUT)

Was ist Supersymmetrie?

Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

Was ist SUSY?

Supersymmetrie ist eine Boson-Fermion

symmetrie, die es erlaubt alle Naturkräfte zu

| | | |

Q boson >= fermion > Q fermion >= boson >

vereinheitlichen (inkl. Gravitation)

2 3/2 1 1/2 0

spin → spin → spin → spin → spin

SUSY kann in der Natur nur existieren wenn es SUSY kann in der Natur nur existieren, wenn es

gleich viele Bosonen und Fermionen mit gleichen Wechsel- wirkungen gibt⇒ Verdoppelung des Teilchenspektrums w u ge g bt⇒ Ve doppe u g des e c e spe t u s (Waw, Eldorado für Experimentalphysiker)

In modernen Theorien sind Teilchen

Anregungen von Strings in 10-dimensionalem Raum (String theory)

Raum (String theory)

SUSY Shadow World

One half is observed!

One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!

One half is observed!

One half is observed! One half is NOT observed! One half is NOT observed!

Supersymmetrie

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Grand Unified Theories

Beachte: SM basiert auf Rotationssymmetrien, wie SU(n).

(Symmetrie Unitaire mit nxn Matrizen).

SU(n) hat daher n

1 Eichbosonen ( 1 durch die Unitaritätsbedingung) SU(n) hat daher n

-1 Eichbosonen (-1 durch die Unitaritätsbedingung).

Lokale (Eich)symmetrie (engl. Gauge Symmetrie) verlangt Existenz dieser n

-1 Ei hb

Eichbosonen.

Kleeblatt invariant unter globale SU(3) Rotationssymmetrie

Lokale Eichinvarianz: drehe nur 1 Blatt.

Invarianz nur wenn ich Info weitergebe

i i

SU(3) Rotationssymmetrie

durch Austauschteilchen, das dann die nächsten Blätter auch dreht.Oder Farbe ändert, wie bei Quarks. Brauche 9

Gl Li K b + +bb i >8Gl

Gluonen. Lin. Komb. rr+gg+bb inv.->8Gluonen

rr rg rb

⎛ ⎞

⎜ ⎟

gr gg gb b bb

br

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎝ br bg bb ⎠

⎜ ⎟

⎝ ⎠

Grand Unified Theories

Aber wie können solche unterschiedlich starke Kräfte vereinheitlicht werden?

ve e e c we de ?

Antwort: sie sind gleich stark bei hohen Energien.

Unterschied bei niedrigen Energie durch g g Quantenfluktuationen (QF)!

Heisenberg lässt

+ - -

Feld um ein farbgeladenes Teilchen reduziert

durch Abschirmung der

grüßen!

Feld um ein elektrisch geladenes

durch Abschirmung der Quarkpaare, aber verstärkt durch Gluonpaare. Diese Anti- Abschirmung überwiegt

Feld um ein elektrisch geladenes Teilchen reduziert

durch Abschirmung der

El kt P it P

Abschirmung überwiegt.

Daher Feld auf großem Abstand stärker als “nackte”

F bl d d Q k !

Elektron-Positron-Paare (Vakuumpolarisation)

Farbladung des Quarks!

Laufende Kopplungskonstanten

Schlussfolgerung der Vakuumpolarisation:

Elektromagn. WW nimmt zu bei hohen Energien.

Feinstrukturkonstante 1/137 wird 1/128 bei LEP!

Starke WW nimmt ab bei hohen Energien Starke WW nimmt ab bei hohen Energien

(= kleinen Abständen)-> Asymptotische Freiheit

Die Struktur des Protons

Die drei “Valenz” Quarks

des Protons werden zusammen- gehalten durch Gluonen

gehalten durch Gluonen (von engl. “glue”=Kleber).

Diese Gluonen können

für kurze Zeit in Quark Antiquark für kurze Zeit in Quark-Antiquark Paare („See-Quarks“)

übergehen, die jedoch

h d H i b h

nach der Heisenbergsche Unschärferelation sofort wieder verschwinden.

Daher braucht man beim LHC

keine Antiprotonen, denn Heisenberg

bei den hohen Energien haben viele der Seequarks genügend

hohe Energien um Wechselwirkungen

Heisenberg lässt

grüßen!

hohe Energien um Wechselwirkungen zu erzeugen.

g

Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren

Elektrische Kraft ∝

Dichte der elektrischen Feldlinien ∝ 1/r

Photonen ungeladen⇒

Photonen ungeladen⇒

keine Selbstkopplung

Starke Kraft ∝ Dichte der Starke Kraft ∝ Dichte der Farbfeldlinien ∝ 1/r

+r

durch Gluonselbstkopplung pp g (Gluonen bilden “Strings”) Teilchen bilden sich entlang

EÜ*+üpmc2 E=mc

Teilchen bilden sich entlang strings, wenn es energetisch

günstiger ist, potentielle Energie günstiger ist, potentielle Energie in Masse umzuwandeln⇒

Jets von Teilchen entlang

ursprünglicher Quark-Richtung

Running Coupling Constants

Running of Strong Coupling Constant

Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

Hinweis auf Physik “Beyond the SM”?

possible evolution of the universe

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

g g g pp

gleichung der entsprechenden Untergruppe.

SU(5) als einfachstes Beispiel einer GUT

SU(5) ⊃ SU(3)

⊗SU(2)

⊗U(1)

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 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 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.

Vereinigung der Kräfte

Input Input

SUSY erlaubt die Vereinheitlichung der Kräfte bei großen Energieskalen.

Die Kopplungskonstanten werden gleich groß.

1 2

( ) 128.978 0.027 sin 0.23146 0.00017

Z MS

α

θ

− = ±

= ±

Die Kopplungskonstanten werden gleich groß.

( ) 0.1184 0.0031

MS s MZ

α

Output Output

3.4 0.9 0.4

10 GeV

MSUSY = ^{± ±}

15.8 0.3 0.1 -1

GUT

10 GeV

26.3 1.9 1.0 MGUT

α

= ± ±

= ± ±

Amaldi de Boer Fürstenau (1991) Sk l h lt 1/ l Q²b ht f Amaldi, de Boer, Fürstenau (1991) Skalenverhalten: 1/α_i ∝ logQ² beruht auf

radiativen Korrekturen

Woher kommt die Masse ?

Durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld???

•

THE “CELEBRITY AT PARTY” MODEL (quarks or leptons)

THE “rumour” model (Higgs particle)

strength of interaction with higgs field

SUCHE nach dem

Higgs Boson wichtige

Aufgabe für LHC

Higgs Mechanism

A quasi-political Explanation of the Higgs Boson

Der britische Minister für Wissenschaft wollte wissen wonach die Der britische Minister für Wissenschaft wollte wissen, wonach die Teilchenphysiker eigentlich suchen und forderte sie auf, ihm auf einer DIN A4-Seite zu erklären, was das Higgs-Boson ist.

Hier ist die Erklärung von David Miller vom Department of Hier ist die Erklärung von David Miller vom Department of Physics and Astronomy, University College, London, UK.

The Higgs Mechanism The Higgs Mechanism

Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbours.

The ex-Prime Minister enters and crosses the room. All of the workers in her neighbourhood are strongly attracted to her and cluster round her.

As she moves she attracts the people she comes close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal, that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving again because the clustering process has to be restarted.

Higgs Mechanism

In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion – the clustering of the field around the particle - generates the particle's mass.

The idea comes directly from the physics of solids instead of a field spread The idea comes directly from the physics of solids. instead of a field spread

throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms.

When an electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing

th l t ' ff ti t b h 40 ti bi th th f

the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free electron.

The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless.

p g

Higgs Mechanism

The Higgs Boson

Now consider a rumour passing through our room full of uniformly spread

political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the

d t il th th t d l t th i t i hb h t t k b t

details, then they turn and move closer to their next neighbours who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitar at the other side of the room Since the information is carried b door to some dignitary at the other side of the room. Since the information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to

the ex-Prime Minister, then the rumour-carrying clusters also have mass.

The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field.

We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for giving other particles is true, if we actually see the Higgs

particle itself Again there are analogies in the physics of solids A crystal lattice can particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of clustering without needing an electron to move and attract the atoms.

These waves can behave as if they are particles.

They are called phonons and they too are bosons.

They are called phonons and they too are bosons.

There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out.

Higgs Mechanism

Higgs Mechanism predicted in Supersymmetry

Be aware: more phase transitions than GUT one e g Electrow one 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. g

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 normaler

i i ( 1 i A f )

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.

Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance A t l b d

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

T=M/22: M decoupled stable density Actual abundance

ityR 1995

T M/22: M decoupled, stable density

(wenn Annihilationrate ≅ Expansions- rate, i.e.

Γ=<σv>nχ(x_fr) ≅ H(x_fr) !)

er densi

Griest, PR

WMAP -> Ωh

=0.113±0.009 ->

<σv>=2.10

cm

/s

ng numb

onkowski,

DM nimmt wieder zu in Galaxien:

≈1 WIMP/Kaffeetasse ≈10⁵ <ρ>. DMA ( ²) fä t i d

T=M/22

Comovin

mann,Kami

(∝ρ²) fängt wieder an.

Annihilation in leichtere Teilchen, wie

Quarks und Leptonen -> π0’s -> Gammas!

T=M/22

C

x=m/T

Jungm Quarks und Leptonen -> π0 s -> Gammas!

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

x m/T ,

Universums erzeugt.

Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY

χ f χ f χ f

~f

A Z

χ f χ f χ f

A Z

χ W χ Z

χ^± χ⁰

χ W χ Z

χ^± χ

E t WIMP 50 100 G V S i ½ T il h l i ht (0 1 T V) Egret: WIMP 50-100 GeV

WMAP: <σv>=2.10

cm

/s

Spin ½ Teilchen leicht (0.1 TeV) Spin 0 Teilchen schwer (TeV) Neutralino Annihilations Wirkungsquerschnitt

Neutralino Annihilations-Wirkungsquerschnitt

wie erwartet für „thermal relic“ (from H and Ω)! Zufall?

Wie sieht SUSY Teilchenspectrum aus?

Stau coannihilation

Too large Stau

LSP ^{Too large}

Charginos neutralinos

boostfactor for EGRET data

Charginos, neutralinos and gluinos light

data

WMAP

Bulk h<114

LSP largely Bino ⇒ DM may be

EGRET g y y

supersymmetric partner of CMB EGRET

Gauge unification perfect with SUSY spectrum from cosmology

SM SUSY

NO FREE

, dB, 1991

NO FREE parameter

Amaldi, PLB 260 ate from stenau, PUpda Fürs

With SUSY spectrum from cosmology and start values of couplings from final

LEP data perfect gauge coupling unification!

Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie

Example of SUSY production and decay chain

Zum Mitnehmen Supersymmetrie bietet:

Vereinheitlichung aller Kräfte ⇒ mögliche Erklärung für die Baryonasymmetrie

Higgs Mechanism s m Massen erklären Higgs Mechanismus um Massen zu erklären Kandidat für Dunkle Materie

Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Beseitigung der quadratischen Divergenzen des SM.

Mögliche Signale der Supersymmetrie:

(bisher noch nicht gefunden!)

( g )

Direkter Nachweis der SUSY Teilchen am LHC Indirekter Nachweis der Annihilation der DM Indirekter Nachweis der Annihilation der DM

(mit Zerfallskanäle vorhergesagt von SUSY)

Direkter Nachweis der WIMPS durch Streuung g

(mit Wirkungsquerschnitten vorhergesagt von SUSY)