8 Juni 04 1 1.Die Bausteine der Welt + ihre Wechselwirkungen Das Standard-Modell der Teilchenphysik Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Super-Strings

8 Juni 04 1

1.1. Die Bausteine der Welt + ihre WechselwirkungenDie Bausteine der Welt + ihre Wechselwirkungen• Das Standard-Modell der Teilchenphysik• Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Super-Strings

2.2. HERA: Maschine + ExperimenteHERA: Maschine + Experimente

3.3. HERA ResultateHERA Resultate• Quarks und Gluonen• Wie stark ist die starke Kraft ?• Elektro-schwache Vereinigung• Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Extra

Dimensionen

4.4. Auf dem Weg zur Ur-KraftAuf dem Weg zur Ur-Kraft• LHC bei CERN ● Higgs-Suche• TESLA ● SUSY-Suche

8 Juni 04 3

Und Gott sprach:

Es werde Licht !

8 Juni 04 4

8 Juni 04 5

Und es ward Licht.

8 Juni 04 6

Und Gott sprach:

Es werde Materie !Und es ward Materie.

tb

c

d

su

8 Juni 04 7

Und Gott sprach:

Es werde Kraft !Und es ward Kraft.

W+ W-

Z0

g gg

G

Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04

8

QUARKSQUARKS

LEPTONENLEPTONEN

1994

2000

Neutrinos

Elektronen


9


11

TEILCHEN

Ladung

Symmetrie

Materie-Teilchen Fermionen J=1/2

Up Quarks Down

ud

cs

tb

Elektronen Leptonen Neutrinos

ee

Kraft-Teilchen Bosonen J=1

Photon schwache Bosonen W+, Z0, W- Z0 W±

Gluonen 8 gij 8 gij

Graviton (J=2) G G

KRÄFTEELEKTROMAGNET

SCHWACH

KERN-KRAFT

GRAVI-TATION

Elektrisch Schwach Farbe Masse

U(1) SU(2) SU(3)

+2/3

-1/3r g b

-1

0


12

Und Gott sah,was er gemacht hatte.

Und siehe:es war gut.

Und er ruhteam siebten Tag.

Standard-ModellStandard-Modell DERDER

ElementarteilchenElementarteilchen UND IHRERUND IHRER

WechselwirkungenWechselwirkungen


13

Wir aber stellen viele

FRAGENFRAGEN : :


14

QUARK -QUARK -

SYMMETRIE SYMMETRIE ??

LEPTON -LEPTON -

3 FAMILIEN ?3 FAMILIEN ?

BARYON -BARYON -

ZAHL ? ZAHL ?

LEPTON -LEPTON -


15

Lepto-

Quark

Quark

Elektron


16

Big Bang

100 GeV

10 -10 s

10 -37 s

1015 GeV10 -43 s

1019 GeV


17

WW±±00 ggiijj BOSONENBOSONEN

X,YX,Y

elm.elm. schwach schwach starkstark

U(1)U(1)⊗SU(2) SU(2) ⊗ SU(3)SU(3) ⊂⊂ SU(5) SU(5) SYMMETRIENSYMMETRIEN

{ e- e ,drdgdb } L

__

{{55} } MULTIPLETTMULTIPLETT

Lepton

Lepto-

Quark

Quark QX = 4/3 QY = 1/3

HERAProton-Zerfall


19

electron

selectron

quark

squark

photon

photino

vereinigtvereinigtBosonen mitBosonen mit FermionenFermionen

Kraft mitKraft mit MaterieMaterie

FermionFermion

BosonBoson

BosonBoson

FermionFermion


20


21

vereinigt Kräfte und Kopplungen

mPl

MX ~ 1014 GeVp ~ 1031 a

MX ~ 1016 GeVp ~ 1038 a

• ändert Energie-Abhängigkeit der Kopplungen:

• ein Vereinigungs-Punkt bei MX = 2·1016 GeV !

• Proton-Lebensdauer > exptl. Limit • Neutralino H1,2): leichtestes SUSY-Teilchen

Dunkle Materie im Universum !

• verbindet kontinuierl. Raum-Zeit-Symmetriemit Spin-Statistik + SymmetrienU(1)SU(2)SU(3) SU(5), SO(10), E(6), ...

• Eichfelder lokaler SUSY:Graviton (J=2) + Gravitino (J=3/2)Super-Gravitation !

• Higgs Strahlungskorrekturen stabil


23

10-dimensional ?

Ist die Welt

2-dimensional ...

3-dimensional ...

Nur unsere 4 Dimensionen sind nach dem Urknall expandiert.Die anderen 6 bleiben eingerollt.

Elementarteilchen = String-Anregungen ?

String-Radius ?

Planck-Länge = (ħGN/c3)1/2

= 10-35 m ?


24

MKK Energie

Stä

rke

3 D Gravitation(3

+N) D

Gra

vita

tion

Torsions-PendelEöt-Wash Gruppe 2000,

Univ. Washington, Seattle

Brane-Theorien (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, 1998,99)

• elm., starke + schwache Kraft agieren auf (3+1) Brane• N extra Dimensionen kompaktifiziert mit Radius R• nur Gravitation breitet sich in den Extra Dimens. aus

− Modifikation des Newton-Gesetzes:

F ~ GN / r2 ~ 1 / MPl2 r2 ~ 1 / MKK

2+N r2+N

− GN, MPl ... nur effektive Konstanten

− R, MKK ... neue, fundamentale Planck-Länge, Masse

M2Pl ~ GN

-1 ~ (1019 GeV)2 ~ RN MKKN+2

• große Vereinigung = Schwerkraft wird stark schon auf elektroschwacher Skala : MKK = 1 TeV :

N=1 R ~ 109 kmN=2 R ~ 1 mm Eöt-Wash: 1/r ok bis 0.2 mm...N=6,7 R ~ 10 fm neue Planck- Länge


25

Elektronen 27.6 GeV

Protonen 920 GeV

H1 ZEUS


26

6km


27


28


29


30

Q2 = - q2 = - (k - k‘)2

Quadrat des

Viererimpuls-Übertrags

Rutherford 1911:

Photon-Propagator

d/ dQ2 = 42 / Q4

d/ dcos() = 2 / 2E2 sin4 (/2)

Q2 Z0

Energie im Massenschwerpunkt-System:

s = (k + P)2 = 4 Ee Ep = 4·27.6 GeV·920 GeV =

(319 GeV)2 = 101.600 GeV2

x = Q2 / (2Pq) Bjorken-x

Impuls-Anteil des Partons im Proton


31

E.Rutherford 1910 :E.Rutherford 1910 : HERA 2000 :HERA 2000 :Entdeckung des AtomkernsEntdeckung des Atomkerns Struktur des ProtonsStruktur des Protons

Kern: hart

Atom:transparent

- Teilchen

Gold Folie

Elektron Proton

Elektron

Quark: hart,

punktförmig ?

HadronJet


32

100 Jahre Suche nach den elementaren Bausteinen

TESLA-HERA Quark-Radius:

RQuark < 10-18 m < 0.001 RProton

Quark Radius :

Kern

Nukleon

Quarks

Substruktur ?


33

• SLAC 1968-71:

drei Valenzquarks: x = 1/3

• drei gebundene Quarks:

~ 50% in 3 Quarks +

~ 50% in N Gluonen

Impuls-Anteil x des Quarks im Hadron ~ 1/6

• x>0.1: Valenzquarks

x<0.1: Seequarks + Gluonen :

reine Quanten-Chromo-Dynamik !

QCDQCDOrder Order

0

1

2


35

ProtonStruktur:Valenz-Quarks

QCDVakuum:Gluonen +

See-Quarks

H

E

R

A


37

Test d. nicht-abelschen Eichtheorie QCD :

Licht klumpt nicht -

starke Kraft: Gluon-Selbstkopplung: S(Q2)

Aufkochen des QCD Vakuums:

Q2 ↑ x ↓

∂ (x,Q2) / ∂ ln Q2 ~ S(Q2) xg(x,Q2)

S → 1 : wie kollabiert Störungstheorie ?

Gluonen = BosonenGluon-Saturation ? Shadowing ?

Gluonium, Glue-Balls ?

Quark-Gluon-Plasma ?


40

• Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten :

4s(Q2) = ---------------- (LO) 9 ln (Q2/2)

• QCD Fit der H1 F2 Skalenverletzungen in NLO:

s = 0.115 ± 0.002 (expt+fit) ± 0.005 (scale)

• 1,2,3 Jet Wirkungsquerschnitte:

s = 0.122 ± 0.002 (exp) ± 0.004-5 (theory)

running sin one experiment

Super-Symmetrie:

Vereinigung der Kopplungen !Genauigkeit der Startwerte :

/~ 10-9 elektromagnet.

GF/GF ~ 10-5 schwach

GN/GN ~ 10-3 Gravitation

s /s ~ 10-2 stark (NNLO)


42


45

-Z Interferenz e±: Kopplung an u,d Quark

elektro-schwache Vereinigung Nukleon-Struktur

neutraler Strom geladener Strom

Z

e e

q q

W±

e± e

d uu u d d

ZElektron

Elektron

Proton

Neutrino

Elektron ProtonW


46

Standard-Modell :

beschreibt Daten über6 Größenordnungen !

Q2 > MZ2 :

Sensitivität aufelektro-schwache Effekte :

-Z Interferenz:

• konstruktiv für e-

• destruktiv für e+

e-

e+

MZ2


49


50

Q2 MW

e e

ohne FL, xF3

= ± 1 fürlinks/rechtshändige e

M2W,Z

~ 1 / (MW2+Q2)2

~ 1 / Q4

2

KOPPLUNG PROPAGATOR

NC 22 1 / Q4

CC 2 / 8 sin4 W 1 / (Q2+MW2)2

ähnlich: gleich bei sin2 W ~ 1/4 Q2 » MW

2

Vereinigung elm. + schwache Kraft


52

Helizitäts-Unterdrückung

• schwache Ww. verletzt Parität :nur linkshändige Fermionen

koppeln an W- :

• cc (P,e±) = (1± P) cc (0,e±)

• teste chirale Struktur d.

Standardmodells :

- P=1.0: CC an / aus !

- P=0.6: simuliere 4 x 50 pb-1

- (1+0.6) / (1-0.6) = 4

- P=0.5 erreicht

J= ½ 1 ½

e-L e,R

W-


56

jenseits des Standard - Modells :

• Sub - Strukturen

• Lepto – Quarks

• Super - Symmetrie

• Extra Dimensionen


57

Neue Physik :

4 Fermion Kontakt-Term

e e

q q

HERAe p → e X

LEP _ e+ e- → q q

_FNAL_ pp → l l X

g2

M2

HERA :Standard-Modell ok bis = 5 TeV


60

Lepton

Lepto-

Quark

Quark QX = 4/3 QY = 1/3

L L

Q Q

LQ

ICHEP Leipzig 1984 LQ DESY 1996

Elektron Proton

Elektron

HadronJet


61

HERA kompetitiv mit LEP + FNAL:

Lepto-Quark JI He

DESY H1MLQ/ GeV

S0L 710

S0R 640

S0R 330

S½L 850

S½R 370

S ½L 430

S1L 490

V0L 730

V0R 580

V0R 990

V1/2L 420

V1/2R 950

V1/2 L 1020

V1L 1360


63

SUSY-Top evtl. leichtestes SUSY Quark !

R-Parität: Rp = (-1)3(B-L)+2S

Minimale Supergravitation +RP Verletzung :

Sensitivität auf Rp-verletz. SUSY-Top:

HERA: mt > 270 GeV


64

Emission von Kaluza-Klein-Gravitonenin Extra Dimensionen:

• reelle Emission: fehlender Impuls

• virtueller Austausch: größere Raten

• Graviton: Spin-2 Tensor-Kraft: Winkel-Verteilung

Our World:

3D brane

Extra Dimensions

Graviton

Our World: 3D brane

q, g

q, g

Extra Dimensions

Graviton


65

Ms± / TeV

CERN LEP (Hewett) 1.2 1.

DESY H1 (GRW) 0.78 0.82

DESY ZEUS 0.79 0.78

FNAL D0 Run I+II 2004 1.43

HERA 2 ~1


68

• bis 2007: Messungen mit polarisierten e±

• präzises Bild des Protons: Gluon-Dichte auf wenige %

• starke Kopplung s auf < 2%

• jenseits des Standard Modells : Suche nach :-Lepto-Quarks-Super-Symmetrie-Sub-Struktur der Fermionen-angeregten Fermionen-Extra Dimensionen- …-Überraschungen


69


70

CERN

LHC


71

LLargearge HHadronadron CColliderolliderbei CERN in Genf : 23 km lang9 T supraleitende Magnete2 x 7 TeV Proton-Proton-Kollisionen

ab 2007 Suche nach :

Higgs-TeilchenSuper-Symmetrie...


72

Proton-Struktur :

Input fürHiggs- und SUSY- Produktion

pp


73

Internationale Kollaboration

SupraleitenderElektron-Positron-

Linearbeschleuniger

500-800 GeV33 km lang

Ziel:

Higgs- und SUSY-Präzisions-Physik

ab 2015


74

KosmosKosmos

Atom

Kern

Proton

Zelle

Sonnensystem

Galaxis

Sterne

QuarkQuark

1026 m10-35 mStrings10-D

HiggsHiggs Dunkle EnergieDunkle EnergieSUSYSUSY Dunkle MaterieDunkle Materie

Rq <

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