1

Physik jenseits des Standardmodells

2

Physik jenseits des Standardmodells

3

Inhalt

Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells

Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung

4

Inhalt

Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells FermionenFermionen WechselwirkungenWechselwirkungen Sonstige ProblemeSonstige Probleme

Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung

5

Wiederholung: Die Fermionendes Standardmodells

Die QuarksDie Quarks

u u u u uu c c c c cc t t t t tt

d d d d dd s s s s ss b b bb bb

Die LeptonenDie Leptonen

ee-- -- --

ee

Quarks/Quarks/LeptonenLeptonen

Eine Spalte Eine Spalte enthält eine enthält eine „Generation“„Generation“

Eine Zeile Eine Zeile enthält Teilchen enthält Teilchen mit ähnlichen mit ähnlichen EigenschaftenEigenschaften

Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen

6

Probleme: Die Fermionendes Standardmodells

Warum stimmt die Ladung des Warum stimmt die Ladung des Protons mit der Ladung des Protons mit der Ladung des Elektrons überein? (direkt Elektrons überein? (direkt nachgewiesen mit einer relativen nachgewiesen mit einer relativen Genauigkeit von 10Genauigkeit von 10-20-20))

Warum gibt es 3 Generationen?Warum gibt es 3 Generationen?

Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen

7

Wiederholung: Die WW im Standardmodell

Allgemeine Relativitätstheorie Quantenchromodynamik

Elektroschwache Theorie

Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen

8

Probleme:Die WW im Standardmodell

Der Gültigkeitsbereich der Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Theorien ist beschränkt (Planck-Ära)Ära)

Warum gibt es 4 Kräfte?Warum gibt es 4 Kräfte?

Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen

9

Sonstige Probleme / Ungelöste Fragen des SM

Mindestens 18 Parameter im Mindestens 18 Parameter im Standardmodell sind experimentell zu Standardmodell sind experimentell zu bestimmenbestimmen(z.B. die Massen der Fermionen und der Bosonen, die (z.B. die Massen der Fermionen und der Bosonen, die Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Matrix, die leptonische Mischungsmatrix)Matrix, die leptonische Mischungsmatrix)

Dunkle Materie!?Dunkle Materie!? Wo ist das Higgsboson?Wo ist das Higgsboson? Materie und Antimaterie-UngleichgewichtMaterie und Antimaterie-Ungleichgewicht u.a.u.a.

Probleme/Wiederholung des Standardmodells – Sonstige Probleme

10

Inhalt

Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells

Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories Exkursion: SymmetriegruppenExkursion: Symmetriegruppen Die SU(5)Die SU(5) Vereinheitlichung der Vereinheitlichung der

KopplungskonstantenKopplungskonstanten SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung

11

Exkursion: Symmetriegruppen des Standardmodells

blau

rot

grüni

rot

grün

blau

d

d

d

Gluonene

d

d

d

)3(SU

ee )1(UL

ei

Le ee

e

)2(SU WWBz ,..

Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen

12

Definition:Grand Unified Theories

Die GUTs versuchen die starke, die Die GUTs versuchen die starke, die schwache und die schwache und die elektromagnetische Kraft zu elektromagnetische Kraft zu vereinenvereinen

Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen

)1()2()3( USUSU

Die Symmetriegruppe des Die Symmetriegruppe des Standardmodells:Standardmodells:

)1()2()3( USUSUG

Idee: Diese Symmetriegruppe ist Idee: Diese Symmetriegruppe ist teil einer größeren teil einer größeren Symmetriegruppe GSymmetriegruppe G

13

Die SU(5) Die SU(5) ist die kleinste einfache Die SU(5) ist die kleinste einfache

Symmetriegruppe, die das Standardmodell Symmetriegruppe, die das Standardmodell beherbergen kann:beherbergen kann:

Grand Unified Theories – Die SU(5)

Le

blau

rot

grün

e

d

d

d

ZWYYY

WZXXX

YXZggg

YXgZgg

YXggZg

0

0

0

0

0

][

][

][

Die neuen X- und Y-Bosonen können Die neuen X- und Y-Bosonen können Quarks in Leptonen umwandeln und Quarks in Leptonen umwandeln und umgekehrtumgekehrt

14

Phänomenologie der SU(5):Der Protonenzerfall

p -> ep -> e++ + + 00

GeVM X1510

ap32105

Lebensdauer des Protons für diesen Zerfallsmodus:

Grand Unified Theories – Die SU(5)

15

Zur elektromagnetischen Kopplungskonstanten

)(

1

4

12

21

0 rr

qqF

r

)('

r

qq

r

Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

16

Zur starken Kopplungskonstanten

Hier sind zwei Effekte wichtig:Hier sind zwei Effekte wichtig: Eine Abschirmung der starken Ladung Eine Abschirmung der starken Ladung

durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare:durch virtuelle Quark-Antiquark-Paare:

Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

Eine Verstärkung der starken Ladung Eine Verstärkung der starken Ladung durch eine Gluonenwolke um die durch eine Gluonenwolke um die Quarks:Quarks:

17

Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten im SM

Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht => Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht übereinüberein

18

Inhalt

Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells

Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie

ÜberblickÜberblick KonsequenzenKonsequenzen Experimentelle ÜberprüfungExperimentelle Überprüfung

ZusammenfassungZusammenfassung

19

Supersymmetrie Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit

BosonenBosonen Sie sagt zu jedem Teilchen des Standardmodells Sie sagt zu jedem Teilchen des Standardmodells

mit Spin j ein weiteres Teilchen mit Spin j-1/2 mit Spin j ein weiteres Teilchen mit Spin j-1/2 vorausvoraus

Supersymmetrie - Überblick

20

Die Teilchen der SUSY

Supersymmetrie - Überblick

Aber: Sie ist entweder gebrochen oder keine exakte Symmetrie der Natur

Masse der neuen Teilchen von der Größenordnung 1 TeV

21

Die Kopplungskonstanten im MSSM

=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie => Protonenzerfall stimmt mit Theorie übereinüberein

Supersymmetrie - Konsequenzen

22

Experimentelle Überprüfung

Masse der SUSY-Masse der SUSY-Teilchen: O(1 TeV)Teilchen: O(1 TeV)

LEPII und LEPII und Tevatron: O(100 Tevatron: O(100 GeV)GeV)

LHC: LHC: SchwerpunktsenerSchwerpunktsenergie von 14 TeVgie von 14 TeV

Supersymmetrie – Experimentelle Überprüfung

23

Inhalt

Wiederholung/Probleme des Wiederholung/Probleme des StandardmodellsStandardmodells

Grand Unified TheoriesGrand Unified Theories SupersymmetrieSupersymmetrie ZusammenfassungZusammenfassung

Lösung der Probleme des Lösung der Probleme des Standardmodells?Standardmodells?

24

Zusammenfassung I Warum stimmt die Ladung des Protons mit Warum stimmt die Ladung des Protons mit

der Ladung des Elektrons überein? der Ladung des Elektrons überein? Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in einem Multipletteinem Multiplett

Warum gibt es 3 Generationen?Warum gibt es 3 Generationen?Lsg.: keineLsg.: keine

Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist beschränkt (Planck-Ära)beschränkt (Planck-Ära)Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei Bestätigung der GUT und SUSY vergrößernBestätigung der GUT und SUSY vergrößern

25

Zusammenfassung II Warum gibt es 4 Kräfte?Warum gibt es 4 Kräfte?

Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 KräfteLsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte Mindestens 18 Parameter im Standardmodell Mindestens 18 Parameter im Standardmodell

sind experimentell zu bestimmensind experimentell zu bestimmenLsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächstLsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächst

Materie und Antimaterie-UngleichgewichtMaterie und Antimaterie-UngleichgewichtLsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson verletzt verletzt

Wo ist das Higgsboson?Wo ist das Higgsboson?Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesenLsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen