Fritz Zwicky Virialsatz Vera Rubin - theorie2.physik.uni...
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Fritz Zwicky Virialsatz
v2 =
GM
r
v ∝√
1
r
Vera Rubin
Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 1
Suche nach Dunkler Materie am LHC
Dr. Carsten Hensel
Physikalisches Institut, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
16. Juni 2012
Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 2
• Dunkle Materie
• Supersymmetrie
• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC
• Zusammenfassung
Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 3
• Dunkle Materie• Evidenz für Dunkle Materie• Erklärungsansätze für Dunkle Materie
• Supersymmetrie
• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC
• Zusammenfassung
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Evidenz für Dunkle MaterieDunkle Materie
Rotationskurven Gravitationslinsen
Bullet Cluster Cosmic Microwave Background
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Berechnung der MasseDunkle Materie
Öffnungswinkel Θ:
Θ =
√
4GM
c2LO
EO · EL
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Evidenz für Dunkle MaterieDunkle Materie
Rotationskurven Gravitationslinsen
Bullet Cluster Cosmic Microwave Background
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Evidenz für Dunkle MaterieDunkle Materie
Rotationskurven Gravitationslinsen
Bullet Cluster Cosmic Microwave Background
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Kosmische HintergrundstrahlungDunkle Materie
WMAP
• durchschnittliche Temperatur 2.725 K (grün)• Temperaturschwankungen: ±0.0002 K
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Leistungsspektrum derTemperaturschwankungen Dunkle Materie
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Evidenz für Dunkle MaterieDunkle Materie
Rotationskurven Gravitationslinsen
Bullet Cluster Cosmic Microwave Background
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Erklärungsansätze für Dunkle MaterieDunkle Materie
• MOND (Modifizierte Newtonsche Dynamik)• erkläre Rotationsverhalten von Galaxien durch modifizierte
Newton Dynamik
F = ma ⇔ F = mµ(a/a0)a
mit
µ(x) = 1 für x ≫ 1
µ(x) = x für x ≪ 1
• erklärt nicht Separation von Baryonischer Materie undDunkler Materie im Bullet Cluster
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Erklärungsansätze für Dunkle Materie IIDunkle Materie
• MACHOs (MAssive Compact Halo Object)• "kleine" Ansammlungen baryonischer Materie• Planeten, Neutronensterne, Braune Zwerge, schwache
Rote Zwerge, kleine schwarze Löcher• Vermessung über Mikro-Gravitationslinsen• MACHOs ausgeschlossen als Dunkle Materie für Objekte
mit Massen zwischen 10−8 M⊙ und 100M⊙
(M⊙ ≃ 1, 989× 1030kg)
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RekapitulationDunkle Materie
• Dunkle Materie reflektiert oder emitiert keineelektromagnetische Strahlung.
• Struktur des Universums ↔ nicht-relativistische DunkleMaterie bevorzugt (Cold Dark Matter/CDM)
• Primordiale Nukleosynthese(Big Bang nucleosynthesis/BBN)schließt baryonische Dunkle Materieaus.
• Inhalt des Universums:• 5% ’normale’ Materie• 23% Dunkle Materie• 72% Dunkle Energie
• Natur der Dunklen Materie:unbekannt
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• Dunkle Materie• Supersymmetrie
• Das Standard Modell der Teilchenphysik• Status des Standard Modells• Supersymmetrie – Eine Einführung• Bausatz des MSSM• MSSM Phänomenologie
• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC
• Zusammenfassung
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Das ReduktionsprinzipSupersymmetrie
• Vielzahl von organischen und anorganischenVerbindungen kann auf einige wenige Bauteilezurückgeführt werden
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Fundamentale WechselwirkungSupersymmetrie
Elektromagnetische WW Starke WW
Schwache WW Gravitation
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Das Standard Modell der TeilchenphysikSupersymmetrie
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Die Natur der Dunklen MaterieSupersymmetrie
Könnte eines unserer Standard Modell Teilchen als DunkleMaterie indentifiziert werden?
Die Teilchen des SM Eigenschaften derDunklen Materie
• stabil
• nicht-baryonisch
• nicht-relativistisch
• nur schwachwechselwirkend
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Das Standard Modell der TeilchenphysikSupersymmetrie
Erfolge
Measurement Fit |Omeas−Ofit|/σmeas
0 1 2 3
0 1 2 3
∆αhad(mZ)∆α(5) 0.02758 ± 0.00035 0.02766
mZ [GeV]mZ [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1874
ΓZ [GeV]ΓZ [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4957
σhad [nb]σ0 41.540 ± 0.037 41.477
RlRl 20.767 ± 0.025 20.744
AfbA0,l 0.01714 ± 0.00095 0.01640
Al(Pτ)Al(Pτ) 0.1465 ± 0.0032 0.1479
RbRb 0.21629 ± 0.00066 0.21585
RcRc 0.1721 ± 0.0030 0.1722
AfbA0,b 0.0992 ± 0.0016 0.1037
AfbA0,c 0.0707 ± 0.0035 0.0741
AbAb 0.923 ± 0.020 0.935
AcAc 0.670 ± 0.027 0.668
Al(SLD)Al(SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1479
sin2θeffsin2θlept(Qfb) 0.2324 ± 0.0012 0.2314
mW [GeV]mW [GeV] 80.392 ± 0.029 80.371
ΓW [GeV]ΓW [GeV] 2.147 ± 0.060 2.091
mt [GeV]mt [GeV] 171.4 ± 2.1 171.7
Präzision bis zu 10−9
(g − 2 electron)
Probleme
VereinigungEichkopplungenunwahrscheinlich
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Log 10(Q/1 GeV)
0
10
20
30
40
50
60
α−1
α1
−1
α2
−1
α3
−1
SM
Higgs (Masse)2
quadratisch divergent→ erfordert fine-tuning(Hierarchie Problem)
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Einführung in SupersymmetrieSupersymmetrie
• Grundsätzliche Idee der Supersymmetrie:Grundgesetze der Natur sind invariant beim Austausch vonFermionen und Bosonen!
• Supersymmetrie ist eine Symmetrie, die Fermionen undBosonen miteinander verknüpft:
Q|fermion〉 = |boson〉 Q|boson〉 = |fermion〉
• Jedes Teilchen hat einen Superpartner, der sich beiungebrochener Symmetrie nur im Spin unterscheidet.
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Die Minimal Supersymmetrische Erweiterungdes Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie
Der MSSM Teilcheninhalt
Kandidat für Dunkle Materie• leichtestes SUSY Teilchen (LSP)
• neutralino (χ̃01) =
photino ⊕ zino ⊕ higgsino• stabil• nicht-baryonisch• nicht-relativistisch• nur schwach ww
MSSM Eigenschaften
• Vereinigung derEichkopplungen
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Log 10(Q/1 GeV)
0
10
20
30
40
50
60
α−1
α1
−1
α2
−1
α3
−1
MSSM
SM
• Vereinigung derEichkopplungen
• kein Hierarchieproblem
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Die Minimal Supersymmetrische Erweiterungdes Standard Modells (MSSM) Supersymmetrie
Der MSSM Teilcheninhalt
Kandidat für Dunkle Materie• leichtestes SUSY Teilchen (LSP)
• neutralino (χ̃01) =
photino ⊕ zino ⊕ higgsino• stabil• nicht-baryonisch• nicht-relativistisch• nur schwach ww
MSSM Eigenschaften
• Vereinigung derEichkopplungen
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Log 10(Q/1 GeV)
0
10
20
30
40
50
60
α−1
α1
−1
α2
−1
α3
−1
MSSM
SM
• Vereinigung derEichkopplungen
• kein Hierarchieproblem
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SUSY-BrechungSupersymmetrie
• Bisher keine SUSY-Teilchen entdeckt.
• SUSY-Teilchen sind schwerer als ihre SM Partnerteilchen.
• SUSY muss eine gebrochene Symmetrie sein.
• Beschreibung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuenParametern…
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SUSY-BrechungsszenarienSupersymmetrie
• mSUGRA (minimal Supergravity)• Gravitation vermittlet zwischen Hidden-Sektor und MSSM• Vereinigung der Gaugino-Massen an der GUT-Skala• Vereinigung der Yukawa-Kopplungen an der GUT-Skala• Vereinigung der Sfermion-Massen• Modell-Parameter:
m0 gemeinsame Masse der Skalarem 1
2gemeinsame Gaugino/Higgsino Masse
A0 trilineare Higgs-Sfermion-Sfermion-Kopplungtanβ Verhältnis der Higgs vev
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RekapitulationSupersymmetrie
• Supersymmetie Erweiterungen des SM
• ’Fundamentaler’ als das SM
• "Lösung" vieler SM-Probleme
• einfachste Erweiterung: MSSM
• Supersymmetrie keine exakte Symmetrie
• Parametrisierung der SUSY-Brechung führt zu 106 neuenParametern
• Einschränkung des Parameterraums durch zusätzlicheAnnahmen:
• mSUGRA• GMSB• AMSB
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• Dunkle Materie
• Supersymmetrie• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC
• Der Large Hadron Collider (LHC)• Das ATLAS-Experiment• Messungen am LHC• Suche nach Dunkler Materie am LHC
• Zusammenfassung
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Suche nach Supersymmetrischen TeilchenSuche nach Supersymmetrischen Teilchen
• LSP gleichmäßig im All verteilt. Können auf Detektoren aufder Erde treffen. Energieverlust bei Wechselwirkung mitAtomkern 10-100 keV
• Suche nach Zerfallsprodukten der LSP-Vernichtung(Überschuss an Positronen)
• Produktion und Nachweis an Collider-Experimenten.
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Der Urknall im LaborSuche nach Supersymmetrischen Teilchen
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CERNSuche nach Supersymmetrischen Teilchen
• Europäisches Labor fürTeilchenphysik
• gegründet 1954
• 20 Mitgliedsstaaten
• mehr all 9000Wissenschaftler
• aus über 100 Nationen
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Der Large Hadron Collider (LHC) ISuche nach Supersymmetrischen Teilchen
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Der Large Hadron Collider (LHC) IISuche nach Supersymmetrischen Teilchen
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Der Large Hadron Collider (LHC) IIISuche nach Supersymmetrischen Teilchen
• Proton-Proton-Beschleuniger
• 27 km lang, 100 m tief
• Schwerpunktsenergie:√s = 14 TeV
• 4 Experimente (Detektoren): ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b
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Das ATLAS-ExperimentSuche nach Supersymmetrischen Teilchen
• Durchmesser/Länge:24 m/ 46 m
• Gewicht: 7000 t
• Kollaboration:
• 35 Länder• 165 Institute• 1900 Mitarbeiter
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Suche nach SupersymmetrieSuche nach Supersymetrischen Teilchen
SUSY Zerfallskette SUSY Signatur
• fehlende Energie,MET (smoking gun)
• high-pT Jets
• high-pT Leptonen
Suche nach Überschuss
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LSP
Messung der LSP-MasseSuche nach Supersymetrischen Teilchen
SUSY Zerfallskette
Berechne Invariante Masse
mℓ1ℓ2=m
maxℓ1ℓ2
√1/2(1−cos θℓ1ℓ2 )
max. für ℓ1ℓ2 back-to-back im
ℓ̃R-Ruhesystem
Bestimme Endpunkt des Spektrums:
mmaxℓ1ℓ2
=√
(m2χ̃02
−m2ℓ̃R
)(m2ℓ̃R
−m2χ̃01
)/m2ℓ̃R
SUSY Signatur
• fehlende Energie,Emiss
T (smoking gun)
• high-pT Jets
• high-pT Leptonen
Invariante Masse
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 20 40 60 80 100
mll (GeV)
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LSP
Suche nach Dunkler MaterieSuche nach Supersymetrischen Teilchen
• LSP ⇔ Dunkle Materie?
• LSP-Masse alleine genügt nicht
• Bestimmung der "Relic-Density" nötig
• Wie sehen die SUSY-Parameter aus?
• zwei Ansätze• Messung aller Kopplungen+ Modellunabhägig- am LHC: schwierig• vermesse Massenspektrum+ einfacher- Modellabhängig
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Definition: Das Inverse ProblemSuche nach Supersymetrischen Teilchen
Das Problem
Best Case
Worst Case
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• Dunkle Materie
• Supersymmetrie
• Suche nach Supersymmetrischen Teilchen am LHC
• Zusammenfassung
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• Inhalt des Universums:5% "normale" Materie, 25% Dunkle Materie
• Dunkle Materie-"Problem": seit 75 Jahre bekannt.• Supersymmetrische Theorien sagen einen fast natürlichen
Kandidaten für Dunkle Materie voraus• Sollte SUSY in der Natur realisiert sein, werde wir SUSY
am LHC finden.• Test der kosmologischen Relevanz von SUSY stellt eine
große Herausforderung dar.• Die nächsten Jahre werden spannend. Sowohl für die
Teilchenphysik, als auch die Kosmologie.Carsten Hensel Suche nach Dunkler Materie am LHC 46