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Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen

Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen. Physik jenseits des Standardmodells. cand. phys. Stefan Kremer Universität Karlsruhe (TH) Fakultät für Physik Institut für Experimentelle Kernphysik Fr, 17. November 2006. 1. Einführung Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten

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  1. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells cand. phys. Stefan Kremer Universität Karlsruhe (TH) Fakultät für Physik Institut für Experimentelle Kernphysik Fr, 17. November 2006 • 1. Einführung • Zum heutigen Thema • Geschichtliches • Begrifflichkeiten • 2. Das Standardmodell • Die Materieteilchen • Wechselwirkungen • Probleme des Standardmodells • 3. Physik jenseits des Standardmodells • Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) • Supersymmetrie • 4. Ausblick und Diskussion • Zusammenfassung • Lösungen des Standardmodells • Die Zukunft…

  2. Einführung Das Standardmodell Physik jenseits des Standardmodells • Kurz zur Foliengliederung und dem Vortrag… Folie: 3 • 4 Rubriken 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion • Kurze Zusammenfassung nach jeder Rubrik • Fragen gerne während des Vortrags stellen! Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  3. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten 1. Einführung Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  4. "The standard-model is working too well", "das Standardmodell funktioniert einfach zu gut" (...als dass es falsch sein könnte) Dieser Satz von Richard Feynman steht symbolisch für die Stärke des Standardmodells. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Zum heutigen Thema Folie: 5 • Standardmodell bis heute extrem erfolgreich im Beschreiben aller Phänomene der Teilchenphysik (bis 1 TeV) • Trotzdem gibt es viele Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen, da erwartet wird, dass das Modell bei hohen Energien nicht mehr gelten kann. • Bei Energien um die Planckmasse: Stärke der Gravitations-WW ~ elektromagn. WW Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  5. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Zum heutigen Thema Folie: 6 • Viele theoretische Modelle jenseits des Standardmodells • Grand Unified Theories (GUTs) • Composite Modelle Substruktur der Quarks und Leptonen (Preonen) • Technicolor neue starke Wechselwirkung • Contact Interactions 4-Fermionen vertices durch Substruktur oder eine neue Wechselwirkung mit schweren Teilchen • Supersymmetrieneue Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen • String Modelle Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  6. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Die Entwicklung des Universums Folie: 7 Symmetriebrechung Atom: 10-10m Kern: 10-15m Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  7. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Kurzer historischer Rückblick Folie: 8 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  8. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Kurzer historischer Rückblick Folie: 9 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  9. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Symmetrien Folie: 10 Symmetrien in der Physik • grundlegendes Konzept der modernen Physik • Symmetrie-Transformation (z.B. kontinuierliche Koordinatentransformationen wie Translation oder Rotation, aber auch diskrete Transformationen wie z.B. Spiegelung) • Symmetrien in grundlegenden Theorien und konkreter Systeme (z.B. Moleküle, Festkörper) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  10. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Symmetrien Folie: 11 Symmetrien in der Physik • Symmetrie in grundlegenden Theorie: physikalische Gesetze, ändern sich nicht bei Symmetrietransformation • Invarianz des Systems unter der entsprechenden Symmetrieoperation. • Zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eines Systems gehört nach dem Noether-Theorem eine Erhaltungsgröße. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  11. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Symmetrien Folie: 12 • Kontinuierliche Symmetrien • Homogenität der Zeit: Energieerhaltung • Homogenität des Raumes: Impulserhaltung • Isotropie des Raumes: Drehimpulserhaltung • Relativitätsprinzip: Schwerpunktsatz Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  12. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Symmetrien Folie: 13 • Diskrete Symmetrien • Gittersymmetrien, Rauminversion P (Paritätstransformation), Zeitinversion T, Ladungskonjugation C • Symmetrieverletzungen • Thermodynamik ist nicht T-invariant: Entropie zeichnet eine Zeitrichtung aus • Auf mikroskopische Ebene: C-, P- und T-invariant. • Ausnahme (bis jetzt): schwache Wechselwirkung: Verletzung der P-Invarianz (Wu-Experiment) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  13. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Symmetrien Folie: 14 • Symmetrieverletzungen • Man glaubte: schwache Wechselwirkung immerhin CP-invariant (symmetrisch bezügl. gleichzeitiger Spiegelung und Austauschung von Teilchen und Antiteilchen) • Experimente an K-Mesonen und B-Mesonen, bewiesen Gegenteil • P-Verletzung maximal, CP-Verletzung ein kleiner Effekt, Grundvoraussetzung für die Baryonenasymmetrie, also Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  14. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Feldtheorien Folie: 15 Feldtheorien mathematischer Unterbau zur Beschreibung all jener physikalischen Effekte, die durch Kräfte und Wechselwirkungen hervorgerufen werden. können über Langrangedichten beschrieben werden. LD sind eine Erweiterung des Lagrange-Formalismus der Mechanik. Ist für eine Feldtheorie eine Lagrangedichte bekannt, dann führt eine Variation der Wirkung auf die Eurler-Langragegleichung der Feldtheorie: Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  15. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Quantenfeldtheorien Folie: 16 • Eine Quantenfeldtheorie (QFT) beschreibt WW zwischen Elementarteilchen. • Theorie kombiniert Prinzipien klassischer Feldtheorien und der Quantenmechanik zur Bildung einer erweiterten Theorie. • nichtrelativistische wie relativistische QFT • In QFT, Quantisierung der WW vermittelnden Felder (2. Quantisierung) Diese berücksichtigt explizit die Entstehung und Vernichtung von Elementarteilchen (Paarerzeugung, Annihilation). • Alle die Wirklichkeit beschreibenden Quantenfeldtheorien sind Eichfeldtherorien Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  16. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Konkrete Quantenfeldtheorien Folie: 17 Quantenelektrodynamik (QED) Quantisierung der Maxwellschen Gleichungen. Sie erklärt mit hoher Genauigkeit die elektromagn. WW zwischen geladenen Teilchen (zum Beispiel e-, µ, q) mittels Austausch von virtuellen Photonen Elektroschwache Wechselwirkung Physikalisch geschlossene Formulierung nach Vereinheitlichung mit der QED im elektroschwachen SM an. Die Wechselwirkung wird hier durch Photonen, W- und Z-Bosonen vermittelt. Higgsteilchen Quantenchromodynamik (QCD) Beschreibt starke WW, Quarks und Gluonen. Gluonen wechselwirken selbst miteinander: keine freien Quarks Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  17. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Zum heutigen Thema Geschichtliches Begrifflichkeiten • Zusammenfassung: Einführung Folie: 18 Zusammenfassung Standardmodell erklärt vieles, aber nicht alles. Erweiterung des Standardmodells Symmetrien! Quantenfeldtheorien Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  18. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells 2. Das Standardmodell Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  19. Einführung Das Standardmodell Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Gliederung: Das Standardmodell Folie: 20 • Die Materieteilchen • Wechselwirkungen • Probleme des Standardmodells Kurz vorgestellt: Was ist das Standardmodell? • beschreibt Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen • enthält Quantenfeldtheorien der starken Wechselwirkung und der elektroschwachen Wechselwirkung sowie Massen und Ladungen der Elementarteilchen • erklärt fast alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Beobachtungen • Allerdings ist das Standardmodell unvollständig Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  20. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Die Materieteilchen Folie: 21 • Quarks/Leptonen • Eine Spalte enthält eine „Generation“ • Eine Zeile enthält Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  21. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Quarks und Leptonen Folie: 22 Quarks und Leptonen • sind elementar • sind Fermionen (Spin ½-Teilchen), unterliegen der • Fermi-Dirac-Statistik (Pauli-Prinzip) • Quarks • treten in 6 Flavours auf (u, d) (c, s) (t, b) • Ladungen: (+2/3, -1/3) (+2/3, -1/3) (+2/3, -1/3) • 3 Farbladungen (starke WW: rot, grün, blau) • keine „freien Teilchen“ (farbneutrale Zustände) >> Hadronen: Baryonen, Mesonen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  22. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Quarks und Leptonen Folie: 23 • Leptonen • treten in 6 Flavours auf • Ladungen: (-1, 0) (-1, 0) (-1, 0) • Keine Farbladung (keine starke WW) • „freien Teilchen“ Zu jedem dieser Teilchen gibt es ein Antiteilchen • Gleiche Masse, gleiche Lebensdauer, gleicher Spin, Parität,… • Umgekehrtes Vorzeichen der Ladungsquantenzahlen • Teilchen und Antiteilchen können annihilieren (z.B. in Photonen) Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  23. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Wechselwirkungen Folie: 24 Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie Starke Wechselwirkung Quantenchromodynamik Elektromagnetische WW + schwache WW Elektroschwache Theorie Zu jeder Eichtheorie existiert ein sog. Eichboson Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  24. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Langrangedichte des Standardmodells Folie: 25 kinetische Energie und Selbstwechselwirkung Kinetische Energie der Leptonen und Quarks und Wechselwirkung mit W+, W-, Z0, γ Masse von W+, W-, Z0, γ Und Higgs und Kopplung der Eichbosonen an Higgs Masse von Leptonen und Quarks und Kopplung an Higgs Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  25. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Probleme des Standardmodells Folie: 26 • Das Eichproblem • Das Parameterproblem • Das Fermionenproblem • Das Problem der Ladungsquantisierung • Das Hierarchie Problem Das Eichproblem Warum gibt es gerade drei unabhängige Symmetriegruppen? Nur eine Symmetriegruppe möglich? Das Parameterproblem mindestens 18 freie Parameter im Standardmodell Reduktion ihrer Anzahl möglich? Das Fermionenproblem Warum 3 Generationen von Quarks und Leptonen? Bestehen sie aus noch fundamentaleren Teilchen? Das Problem der Ladungsquantisierung Warum sind die Ladungen von Protonen und Elektronen exakt gegensätzlich? Das Hierarchie Problem Warum ist die relative Stärke der schwachen Kraft im Vergleich zu den anderen Wechselwirkungen um so viele Ordnungen (Faktor 10-14) geringer? Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  26. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Probleme des Standardmodells Folie: 27 Exkurs: Der Higgs-Mechanismus Theorie, die1964 von Peter Higgs ausgearbeitet wurde, um Masse zu erklären. Motivation Eichbosonen haben manchmal Masse (W±) -> Massenterme in den Bewegungsgleichungen Eichfelder ändern sich unter lokalen Symmetrietransformationen (Eichtrafos)! Eigenschaften der Grundkräfte beruhen darauf, dass Beweg-Gl. sich bei Eichtrafos nicht ändern • Darüber hinaus: • Woher kommt die Masse? • Wo ist das Higgs-Boson? • Gibt es dunkle Materie/Energie? • Ungleichgewicht: Materie-Antimaterie? Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  27. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Exkurs: Der Higgs-Mechanismus Folie: 28 • Einführung eines Higgs-Feldes • Spontane Symmetriebrechung • Higgs-Teilchen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  28. 1. Einführung 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells Die Materieteilchen Wechselwirkungen Probleme des Standardmodells • Zusammenfassung: Das Standardmodell Folie: 29 Zusammenfassung 12 Sorten elementarer Bausteine: 6 Quarks und 6 Leptonen Dazu kommen noch die Austauschteilchen der vier fundamentalen Wechselwirkungen. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  29. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie 3. Physik jenseits des Standardmodells Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  30. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 31 • starke, schwache und elektromagnetische Kraft verschiedene Zweige einer einzigen Wechselwirkung • Vereinheitlichung der Kräfte bei sehr hohen Energien. Kopplungskonstanten bei sehr hohen Energien (1014 GeV ) etwa gleich groß • Das heißt, bei diesen Energien gibt es eine große Symmetrie, wo alle Massen und Kopplungen gleich groß sind. • Mit heutigen Experimenten beobachten wir nur den niederenergetischen Teil, wo die Symmetrie gebrochen ist und die Kopplungen aufspalten Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  31. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 32 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  32. Exkurs: Symmetriegruppen des Standardmodells 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 33 • Grundannahme in GUT: eine große Eichsymmetrie (nur eine Kopplung) Symmetriegruppe GGUT=SU(N) SU(3) x SU(2) x U(1) ist Teilmenge von GGUT • Gruppe definiert auch Zusammenhang der 3 Kopplungskonstanten • GGUT ist spontan durch ein Higgsfeld gebrochen, wodurch die X-Bosonen Masse kriegen • Erst durch 2. Symmetriebrechung bei 100 GeV kriegen auch die Quarks, Leptonen und die Eichbosonen Masse Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  33. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Folie: 34 • SU(5) ist einfachste GUT: erste Obermenge des Standardmodells, die eine Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen theoretisch ermöglicht • 52 -1 = 24 WW-Bosonen • SM: 8 Gluonen + 3 (W+, W-, Z) + 1 Photon = 12 WW-Bosonen • 24 – 12 Bosonen des SM = 12 neue WW-Bosonen für SU(5) = 6 farbige, geladene Bosonen und ihre Antiteilchen geben (Y mit Ladung -1/3, Z mit -4/3) • Ihr Name: Leptoquarks (X, Y-Bosonen) können Quarks in Leptonen umwandeln und umgekehrt Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  34. Exkurs: Quantenfluktuationen In Quantenfeldtheorie erscheint Vakuum als dynamisches Medium, in dem ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und wieder verschwinden Teilchen existieren nicht permament: Virtuelle Teilchen Energie für ihre spontane Erzeugung ist über die Energie-Zeit-Unschärfe gedeckt 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Kopplungskonstante (KK) Folie: 35 • Eindimensionale Größe: beschreibt Wechselwirkung zw. Austauschteilchen und dazugehörigen Ladungen • Folglich: 4 Kopplungskonstanten • Kopplungskonstanten sind Energieabhängig. Warum? • Es treten sog. Vakuumfluktuationen (Quantenfluktuationen) auf • Dadurch: KK nimmt bei der QED für höhere Energien zu in QCD dagegen ab Effekt wird „das Laufen der Kopplungskostanten“ genannt Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  35. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • starke Kopplungskonstante Folie: 36 Hier sind zwei Effekte wichtig Eine Abschirmung der starken Ladung durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare: Eine Verstärkung der starken Ladung durch eine Gluonenwolke um die Quarks: Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  36. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Folgen der GUT Folie: 37 • Die Existenz von magnetischen Monopolen wird vorhergesagt! • GUT lässt Protonenzerfall zu: theoretischer Wert deckt sich nicht mit experimentell bestimmten Wert: Standard-GUT ausgeschlossenen Lebensdauer experimentell:1031 Jahre Aus GUT-Theorie 1028-30 Jahre p -> e+ + Pi0 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  37. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Weinbergwinkel aus GUT Folie: 38 • Ein wichtiges Ergebnis von GUT ist, dass der Weinbergwinkel vorhergesagt wird. Da es nur eine Kopplungskonstante gibt, sind g und g` nicht mehr unabhängig. Aus gruppentheoretischen Überlegungen folgt • Dieser Wert gilt allerdings nur bei SU(5) Symmetrie, also bei sehr hohen Energien. Da g` von U(1) zu kleinen Energien abnimmt während g von SU(2) zunimmt, wird g`/g kleiner. • Man erhält mit den Korrekturen einen Wert von 0,22 , was ganz gut mit dem experimentellen Wert von 0,23 zusammenpasst. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  38. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Probleme der GUT Folie: 39 Kopplungskonstanten treffen sich nicht wirklich Vereinheitlichung ist nur möglich, wenn neue Physik zwischen der elektroschwachen und der Planckskala dazukommt. Mit einer supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (MSSM) hingegen kann eine perfekte Vereinigung der Kopplungskonstanten erreicht werden.                                                                    Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  39. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Probleme der GUT / Lösung: Supersymmetrie Folie: 40 Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem zu vermeiden, fordert man zu jedem SM-Fermion einen supersymmetrischen Boson-Partner und umgekehrt. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  40. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Supersymmetrie Folie: 41 Ursprüngliche Idee (70er Jahre): Einführung einer Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen SUSY die einzige Gruppe, welche mit der Gruppe der Drehungen und Translationen eine Gruppe bildet, die Gravitation erklären könnte Ende 70er Jahre: Standardmodell hat 6 Quarks und 6 Leptonen  SUSY nur realisierbar bei Verdoppelung der Teilchenzahl Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  41. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Supersymmetrie Folie: 42 • Verdopplung der Teilchenzahl: Jedes Fermion erhält supersymmetrischen Boson-Partner und umgekehrt • Konstruktion der Namen: „s“ vor den Namen der Fermionen „ino“ hinter den Bosonnamen • Neue multiplikative Erhaltungsgröße R-Parität = 3B+L+2s • SM-Teilchen: R = +1 • SUSY-Teilchen: R = -1 • Beispiel: Photon koppelt an e+ - e- -Paare, aber Photino nicht an Selektron-Spositron-Paare Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  42. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Verdopplung der Teilchenanzahl bei SUSY Folie: 43 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  43. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Erklärung der dunklen Materie mit SUSY Folie: 44 • Leichtestes supersymmetrisches Teilchen (LSP) • Ein Photon mit Spin ½: Photino • Masse < 1 TeV • Parität R eine multiplikative Erhaltungsgröße • Sparticle- und Antisparticle Produktion nur in Paaren möglich • Zerfall in normale Materie unmöglich • LSP ist stabiles Teilchen • Möglicher Kandidat für Dunkle Materie Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  44. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick & Diskussion Große Vereinheitlichte Theorie (GUT) Supersymmetrie • Zusammenfassung: Physik jenseits des Standardmodells Folie: 45 Zusammenfassung • GUT erweitert das Standardmodell um die starke Wechselwirkung • GUT hat aber immer noch Schwächen, z.B treffen sich die Kopplungskonstanten nicht in einem Punkt • Abhilfe: Einführung von supersymmetrischen Teilchen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  45. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung 4. Ausblick und Diskussion Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  46. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung • Lösungen des Standardmodells Folie: 47 Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in einem Multiplett Warum gibt es 3 Generationen? Lsg.: keine Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära) Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Bestätigung der GUT und SUSY vergrößern Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  47. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung • Lösungen des Standardmodells Folie: 48 Warum gibt es 4 Kräfte? Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte Mind. 18 Parameter sind im Standardmodell experimentell zu bestimmen Lsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächst Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson verletzt Wo ist das Higgs-Boson? Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  48. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung • Die Zukunft… Folie: 49 • Bisher keine Anzeichen für SUSY • Hoffnung auf LHC am CERN • LHC deckt weiten Parameterbereich ab • Falls SUSY existiert, gute Chancen diese am LHC zu finden! Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

  49. 2. Das Standardmodell 3. Physik jenseits des Standardmodells 4. Ausblick und Diskussion Lösungen des Standardmodells Die Zukunft… Zusammenfassung • Large Hardron Collider am CERN Folie: 50 • Fakten zum LHC • Umfang: 26,7 km • Magnete: supraleitend bei 1,9 K • Magnetfeld: max. 9 Tesla • Kollidierende Teilchen: Protonen und schwere Ionen • Schwerpunktenergie: 14 TeV für Protonen, 1150 TeV für Schwerionen • Kollisionsrate: max 40. Mio/sec. Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen Physik jenseits des Standardmodells

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