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Jenseits des Standardmodells: Supersymmetrie

Jenseits des Standardmodells: Supersymmetrie. Vorlesung: Michael Kobel Dominik Stöckinger Übung: Anja Vest. I. Einführung I.1. Grenzen des Standardmodells (SM). Botenteilchen (Bosonen) und Bausteine (Fermionen). (Eine der) erfolgreichste(n) Theorie(n) der Physik!.

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Jenseits des Standardmodells: Supersymmetrie

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Presentation Transcript

  1. Jenseits des Standardmodells:Supersymmetrie Vorlesung: Michael Kobel Dominik Stöckinger Übung: Anja Vest

  2. I. EinführungI.1. Grenzen des Standardmodells (SM) • Botenteilchen (Bosonen) und Bausteine (Fermionen)

  3. (Eine der) erfolgreichste(n) Theorie(n) der Physik! • Theorie des Standardmodells, entwickelt 1961-1973 • Relativistische Quantenfeldtheorie • Poincaré Symmetrie • Basierend auf SU(3)c Ä SU(2)lÄ U(1)Y SU(3)c ÄU(1)Q • Lokale Eich-Symmetrien • Umfassende Vorhersagekraft für alle elementaren Prozesse • Experimente zum Standardmodell, seit 40 Jahren • Verifikation auf • QED: 10-12 –Level, z.B. (g-2)e • QFD: 10-4 –Level, z.B. W- und Z-Eigenschaften • QCD: 10-2 –Level, z.B. Wirkungsquerschnitte (NNLO) • (noch) keine signifikanten (> 5s) Abweichungen zur Vorhersage

  4. Warum brauchen wir dann Physik jenseits des SM (BSM)? • Das Problem derSymmetrien • Warumgibtesgeradediese 3 Eichsymmetrien? • Warum und wieist die schwacheEichsymmetriegebrochen? • GibtesweitereSymmetrien? • Das Problem derFamilien und Ladungen • WarumgeradedreiFamilien, warum Quarks und Leptonen? • Warumistp+e neutral? WarumaddierensichS(NFarben*Qelek)=0 ? • WarumistQeleküberhauptgequantelt? • Das Skalenproblem (Hierarchie, Feinabstimmung) • Warumist v=246 GeV<<MPl=1019GeV ? • Das kosmologische CP-Problem • Woherkamder 10-9Materieüberschuss? • Das Problem der Gravitation • Quantentheorie? Vereinigungmit den anderenWechselwirkungen? •  Hoffung auf GUT (Grand Unified Theorie) G É SU(3)c Ä SU(2)LÄ U(1)Y • …

  5. Why are all the interactions so similar in their structure? There are a number of possibilities: • The first is the limited imagination of physicists:When we see a new phenomenon, we try to fit it in the frame-work we already have – until we have made enough experiments we don’t know that it doesn’t work…It’s because physicists have only been able to think of the same damn thing, over and over again. • Another possibility is that it is the same damn thing over and over again – that Nature has only one way of doing things, and She repeats her story from time to time. • A third possibility is that things look similar because they are aspects of the same thing – some larger picture underneath… Richard. P. Feynman, “The strange theory of light and matter” Princeton University Press, 1985 “Die seltsameTheorie des Lichts und derMaterie” Piper Taschenbuch, 9,95€

  6. One physicist's schematic view of particle physics in the 21st century (Courtesy of Hitoshi Murayama)

  7. I.2. Was ist Supersymmetrie “SUSY”? • Super-Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen • Definiere Generator der SUSY Algebra Q (nicht Qelek!)Q|Boson >= |Fermion > und Q|Fermion >= |Boson > • Zu jedem Fermion existiert ein bosonischer Partner • Zu jedem Boson existiert ein fermionischer Partner • SUSY verdoppelt die Zahl der Elementarteilchen • Super-Symmetrie muss gebrochen sein, denn sonst • MFermion = MSfermion(Selektron, Sneutrino,…) , MBoson = M”Gaugino”(Photino, Gluino, …)

  8. Coleman-Mandula-Theorem:[Lit] S. Coleman and J .Mandula, Phys.Rev. 159 (1967) 1251.Die maximalen Symmetrien für eine relativistische QFT sind • Poincaré für Relativität der Bezugssysteme • Interne (lokale) Eichsymmetrien • Super-Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen • Vereinigung mit Gravitation[Lit] D. I. Kazakov, hep-ph/0012288, Section 2.1. Lectures at the European School on High Energy Physics, 2000

  9. I.3 Was ist so toll an “SUSY”? • Theoretische Motivation für SUSY • Maximal mögliche Symmetrie einer Quantenfeldtheorie • (einzige?) Möglichkeit zur Vereinigung mit Gravitation • Lösung des Hierarchie bzw. Feinabstimmungsproblems des SM • Experimentell indirekt beobachtbar (diese und nächste Stunde) • Beiträge in Schleifenkorrekturen • Vereinigung der Kopplungskonstanten • Masse des W-Bosons • Anomales magnetisches Moment (g-2)µ • Liefert Kandidat für Dunkle Materie • Pluspunkte für direkte Erzeugung an Collidern (später) • TeV-Skala SUSY in Reichweite am LHC • Klare Signaturen der Ereignisse • Große Wirkungsquerschnitte •  falsifizierbar durch LHC (für TeV-Skala SUSY)

  10. II. Supersymmetrie in StrahlungskorrekturenII.1. Die VereinigungderKopplungen[Lit] Kazakov, de Boer • Alle WW sind nur versch. niederenergetische Zweige einer GUT • Die GUT hat nur eine Eichgruppe mit einer Kopplung • Nach geeigneter Normierung von U(1)Yw.r.t SU(2)L und SU(3)cmüssen dazu verglichen werden

  11. Laufende Kopplungen • Tatsächlich bewegen sich ai(Q²) aufeinander zu

  12. Das Laufen von alpha_s

  13. Das Laufen der elektromagnetischen Kopplung • s-Kanalaus 2-Fermion Daten: • t-Kanal aus LEP1 Bhabha Streuung

  14. Vorhersagen[Lit] Kazakov 2.2, de Boer A.2 • Standardmodell • SUSY

  15. Entwicklung im Standardmodell • Lösungen sind Geraden in log(Q²): • Keine Vereinigung

  16. SUSY Teilchen erzeugen vorhersagbare Knicke Vorhersage von MSUSY aus Randbed.: vereinte Kopplungen • Variiere MSUSY, so dass Schnittpunkt bei aGUT(MGUT²)

  17. II.2. Die Vorhersage der W-Masse • Standardmodell, niedrigste Ordnung • mW= ½gWv , mZ= ½ √(gW²+ gY²)v • Fundamentale SM-Parameter: gw=0.63, gY=0.36, v=246 GeV • Experimentell am besten messbar: sin² qw , GF ,mZ • In jedem Fall Vorhersage der W Masse:mW = mZgW/ √(gW²+ gY²) = mZcos qw

  18. Strahlungskorrekturen: • Ergebnis der Rechnung:

  19. Abhängigkeiten von mt und mH:

  20. Exper. Stituation innerhalb des SM, LEP-EWWG März 09 • Viele Aspekte: • Vorhersage mW(mt, mH): grün • Konsistenztest des SM: Vorhersage von mt und mW aus LEP Präzisionsobservablen: rot • Direkte Messung (Tevatron): mt = 173.1 ± 1.3 GeV • SM Vorhersage:mW=(80.364 ± 0.020)GeV • Direkte Messung:mW=(80.399 ± 0.023)GeV • Differenz:D= (0.035 ± 0.028)GeV • Vorhersage für SM Higgs Masse:mH=(87+35-26)GeV 20

  21. Bemerkung zu LEP Präzisionsobservablenhep-ex/0612034update 0911.2604 • Fit innerhalb des SM • 18 Observable • c² / ndf = 18 / 13 • Ergibt beeindruckendenicht-triviale (!)Konsistenz des SM • Optimale mH Vorhersage • D mw = 0.007 D mt • D mw = 10 MeV

  22. Experimentelle Methoden: • W-Masse aus Rekonstruktion des Endzustands WW4q WWmnqq Jets and leptons 4 momenta reconstruction: tracks+calo Neutrino 4 momentum reconstruction: Spi=0

  23. Rekonstruktion (nur scheinbar einfach) • LEP: e+e- W+W- • Vorteil: Neutrino ebenfalls rekonstruierbar • Nachteil: “nur” ca 9000 W pro Experiment • Tevatron `pp  W + jets • Nachteil: nur lept. Kanal mit transversaler Masse” MT • Vorteil: hohe Statisik: mehrere 100.000 Wpro Experiment u. Kanal

  24. Probleme in hadronischen Endzuständen bei LEP • Gegenseitige Beeinflussung der Teilchen aus verschiedenen W im Endzustand • Auf Quark-Level durch Color-Reconnection • Auf Hadron-Level d. Bose-Einstein Kondensation • systematische Verschiebung der Messung möglich • $ Keine Herleitung aus “First Principles”  Modelle • Aufwändige Studien aus Daten ( hep-ex/0612034 ) • Unabhängige Kontrolldaten • Vergleich mit verschiedenen Modellen

  25. Einfluss von SUSY auf die W-Masse: Squark Loops • S.Heinemeyer, W. Hollik, G. Weiglein, Phys. Reports 425 (2006) 265 • Abhängig von - Squark Massen - Top-Squark L-R Mischung Xt

  26. Bemerkungen • SM: • mH ist freier Parameter • Präzisionsmessung (mt , mW)  Einschränkung auf mH • SUSY: • mt , Xt , mb , Xb sind freie Parameter • mh wird (aus diesen und anderen Parametern) vorhergesagt • Präzisionsmessung (mt , mW)  Einschränkung auf mt , Xt , mb , Xb • SUSY Squark Korrekturen ~ SM Higgs Korrekturen • umso größer, je kleiner die Squark massen (leichte SUSY) • umso größer, je größer die L-R Squark Mischung (Xt) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

  27. 2-loop Korrekturen ebenfalls berechnet • …

  28. Resultat: • (mt , mw) Messung bevorzugt ganz leicht MSSM • Heinemeyer, Hollik, Stöckinger et al De Boer, Sander hep-ph/0307049hep-ph/0604147, update 2008

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