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Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 1
Urknall
Teilchenphysik
AstroteilchenphysikAstronomie
Kosmologie13.7 billion years
10-34 s
95% of energy in universe of unknown nature
Elementarteilchen
10-12 s
102s
Dunkle Materie=Supersymmetrischer Partner der
CMB?
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Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !
Supersymmetry
Symmetrie zwischen
Fermionen Bosonen(Materie) (Kraftteilchen)
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SUSY Dark MatterNeutralino = SUSY candidate for the cold Dark
MatterNeutralino = the Lightest Superparticle (LSP) =
WIMP 0 0 01 21 2 3 4N N z N H N H
photino zino higgsino higgsino
exp 40 GeVM
40 400 GeVtheorM
• 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
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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.
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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
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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.
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 88
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
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Running Coupling Constants
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Running of Strong Coupling Constant
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Vakuumenergie abstoßende Gravitation
Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent!
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Possible Evolution of the Universe
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Be aware: more phase transitions
than GUT one, e.g. Electrow. one.Hence many
models to explain Baryon Asym.
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Proton decay expected in GUT’s
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R-Parität
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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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Some production diagrams
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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, wenn
Annihilationsrate gleicher Größenordnung wie Expansionsrate.
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Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Actual abundance
T=M/22
Com
ovin
g nu
mbe
r de
nsity
x=m/T
Jung
man
n,K
amio
nko
wsk
i, G
riest
, 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+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(wenn Annihilationsrate Expansionsrate, i.e. =<v>n(xfr)
H(xfr) !)
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!Einzige Annahme: WIMP =
thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des
frühen Universums erzeugt.
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Annihilationswirkungsquerschnitt in SUSY
Egret: WIMP 50-100 GeV
WMAP: <σv>=2.10-26 cm3/s
A Z
Spin ½ Teilchen leicht(0.1 TeV)
Spin 0 Teilchen schwer (TeV)
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Indirekte Suche nach Dunkler Materie
AnnihilationsprodukteDunkler 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
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G.F. 5000 cm2 srExposure > 3 yrs
dP/P2 ~ 0.004 2.5 TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps
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AMS to be launched in 2010
AMS
Space Shuttle
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AMS on ISS
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 26
The AMS superconducting Magnet at CERN (2008)
26
Coils
He Tank
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 2727
Magnet inside vacuum tank
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Current Status (May 2009)
The magnet is at 1.7 KThe system is fully leaktight to superfluid helium
The magnet is being commissionedand other detector components will beintegrated in 2009. Flight to ISS 2010.
Note: all components have been integrated in2008 in
spare vacuum vessel and have been thoroughlytested. They worked as expected.
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Modell des AMS-02 Detektors auf der ISS
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 30
Model of AMS-02 on ISS
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Wichtigste SUSY Signatur: fehlende transverale Energie
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 32
Example of SUSY production and decay chain
Prof. W. de Boer, Karlsruhe VL Kosmologie, Juli, 2009 33
Prinzip eines Teilchendetektors
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Transverse slice through CMS detector
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CMS Collaboration
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Pixel endcap disks
214m2 of silicon sensors11.4 million silicon strips65.9 million pixels in final
configuration!
The Tracker
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Zum Mitnehmen
Supersymmetrie bietet:
Vereinheitlichung aller Kräfte möglicheErklärung für die Baryonasymmetrie
Higgs Mechanismus um Massen zu erklärenKandidat für Dunkle Materie
mit Annihilationsrate im Bereich der Expansion des Universums
Beseitigung 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)