23
Dunkle Materie im Dunkle Materie im Labor Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth Von Daniel Beuth

Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Dunkle Materie im LaborDunkle Materie im Labor

Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, WeltallWeltall

Berlin, 22.12.2006Berlin, 22.12.2006 Von Daniel BeuthVon Daniel Beuth

Page 2: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

GliederungGliederung

1 Dunkle Materie1 Dunkle Materie 1.1 Heiße DM1.1 Heiße DM 1.2 Kalte DM1.2 Kalte DM

2 Weakly Interacting Massive Particles2 Weakly Interacting Massive Particles

3 Supersymmetrie3 Supersymmetrie

4 Suche nach der DM, LSP4 Suche nach der DM, LSP 4.1 R-Parität4.1 R-Parität

5 Supergravitationsmodell5 Supergravitationsmodell

6 LSP in Teilchenbeschleunigern, Massenspektren6 LSP in Teilchenbeschleunigern, Massenspektren

7 Ausblick -- Fazit7 Ausblick -- Fazit

Page 3: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

1 Dunkle Materie1 Dunkle Materie• MotivationMotivation

• Rotationsverhalten der GalaxienRotationsverhalten der Galaxien• Gravitationsverhalten der GalaxienGravitationsverhalten der Galaxien

Page 4: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

1 Dunkle Materie1 Dunkle Materie

Materiezusammensetzung im Universum

Baryonische Materie

4%

Dunkle Energie

73%

Dunkle Materie

23%

Page 5: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

1.1 Heiße Dunkle Materie1.1 Heiße Dunkle Materie

Eigentliche Kandidaten für DM: Neutrinos Eigentliche Kandidaten für DM: Neutrinos als Kandidat für heiße dunkle Materieals Kandidat für heiße dunkle Materie

Aber: Elektron-Neutrino-Masse, Aber: Elektron-Neutrino-Masse, Obergrenze Obergrenze mmνeνe < 2,3 eV < 2,3 eV

Page 6: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

1.2 Kalte Dunkle Materie1.2 Kalte Dunkle Materie

Mögliche KandidatenMögliche Kandidaten W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles)W(eakly) I(nteracting) M(assive) P(articles)

AxioneAxione

Supersymmetrische TeilchenSupersymmetrische Teilchen

Massive, elektrisch neutrale, schwach Massive, elektrisch neutrale, schwach wechselwirkende Materie, die stabil sein musswechselwirkende Materie, die stabil sein muss

Page 7: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

2 WIMPs2 WIMPs(1): Frühes Universum: Hohe Dichte bei hoher Temperatur – WIMPs im thermischen Gleichgewicht

(2): Inflationäres Universum, Abkühlung, Dichte der WIMPs durch Paarvernichtung verringertBoltzmann-Faktor: n~e-m/T

(3): Temperatur und Dichte zu gering, dass die Paarvernichtung mit der Expansion mithält

Page 8: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

3 Supersymmetrie3 Supersymmetrie

Erweiterung des Standardmodells Erweiterung des Standardmodells Fundamentale Symmetrie, die Fermionen und Fundamentale Symmetrie, die Fermionen und Bosonen verknüpftBosonen verknüpft

Jedem Fermion wird ein supersymmetrisches Jedem Fermion wird ein supersymmetrisches Boson zugeordnetBoson zugeordnet

Jedem Boson wird ein SUSY-Fermion zugeordnetJedem Boson wird ein SUSY-Fermion zugeordnet

Stabilisiert Higgs-MasseStabilisiert Higgs-Masse

Page 9: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

3 SM und SUSY3 SM und SUSY

Superpartner haben unterschiedlichen SpinSuperpartner haben unterschiedlichen Spin

Page 10: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

3 SM versus MSSM 3 SM versus MSSM

Vereinheitlichung der WW (Kopplungskonstanten)Vereinheitlichung der WW (Kopplungskonstanten)

Kräfte sind bei hohen Energien gleich starkKräfte sind bei hohen Energien gleich stark

α1 : EM-Wechselwirkung

α2 : schwache WW

α3 : starke WW

Page 11: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

4 Suche nach der DM4 Suche nach der DM

Kandidatensuche für kalte dunkle Materie Kandidatensuche für kalte dunkle Materie in SUSY-Teilchen:in SUSY-Teilchen: Higgsino, Photino, GravitinoHiggsino, Photino, Gravitino Wino, Bino, Gluino (Gauginos)Wino, Bino, Gluino (Gauginos)

Neutralinos und Charginos sind ein Neutralinos und Charginos sind ein Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Zusammenspiel aus Higgsino, Wino und Bino Teilchen (über Massematrizen)Teilchen (über Massematrizen)

Page 12: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

4 Charginos und Neutralinos4 Charginos und Neutralinos

Zwei Spin ½ Charginos (Zwei Spin ½ Charginos (χχii±±))

Vier Spin ½ Neutralinos (χVier Spin ½ Neutralinos (χii00))

Es gilt für die Neutralinomassen:Es gilt für die Neutralinomassen:

χχ1100 < χ < χ22

00 < χ < χ330 < 0 < χχ44

00

Dabei ist Dabei ist χχ1100 der Kandidat für der Kandidat für

die dunkle Materiedie dunkle MaterieLeichteste supersymmetrische Leichteste supersymmetrische Teilchen muss stabil seinTeilchen muss stabil sein→ → LSP (Lightest supersymmetric LSP (Lightest supersymmetric Particle)Particle)

~ ~ ~ ~

~

~

~

Page 13: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

4.1 R-Parität4.1 R-ParitätBedingung für Stabilität des LSPBedingung für Stabilität des LSP

R-Parität als multiplikative ErhaltungsgrößeR-Parität als multiplikative Erhaltungsgröße R = (-1)R = (-1)3(B-L)+2S3(B-L)+2S bzw. R = bzw. R = (-1)(-1)3B +L+2S3B +L+2S

1 für SM, -1 für SUSY1 für SM, -1 für SUSY Produktion von Sparticles und Anti-sparticles Produktion von Sparticles und Anti-sparticles

nur in Paaren möglichnur in Paaren möglich Kein Zerfall in „normale Materie“Kein Zerfall in „normale Materie“

Page 14: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

5 Supergravitationsmodell5 Supergravitationsmodell

Bei hohen Energien alle Bei hohen Energien alle Teilchen mit gleichen Teilchen mit gleichen Spin massegleich (GUT: Spin massegleich (GUT: Grand Unification Theory)Grand Unification Theory)Ziel: Reduzierung der Ziel: Reduzierung der ParameterParameter

mm00 : Masse der selektron, : Masse der selektron, squarks und Higgssquarks und Higgs

mm1/21/2 : Masse der Gaugino, : Masse der Gaugino, HiggsinoHiggsino

Page 15: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

5 mSugra-Modell5 mSugra-Modell

Freie Parameter:Freie Parameter: tan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skalatan β: Verhältnis der Higgs-Vakuum-Erwartungswerte an der schwachen Skala Sign (μ): Higgsino-MassenparameterSign (μ): Higgsino-Massenparameter AA00 : Trilinearer Kopplungsfaktor : Trilinearer Kopplungsfaktor

Punkt 3: m (Punkt 3: m (χχ1100 ): ):

45 Gev45 Gev

Punkt 1: m (Punkt 1: m (χχ1100 ): ):

168 GeV 168 GeV

Punkt 5: m (Punkt 5: m (χχ1100 ): ):

122 GeV122 GeV

Punkt 2:Punkt 2:m (m (χχ11

00 ): ):

168 GeV168 GeV

Punkt 4: Punkt 4: m (m (χχ11

00 ): ):

80 GeV80 GeV

~~

~~

~~

~~

~~

Page 16: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

5 mSugra-Modell 5 mSugra-Modell Punkt 5 ist für Punkt 5 ist für Kosmologie besonders Kosmologie besonders interessantinteressantDichte der DM im Dichte der DM im vereinbar mit der vereinbar mit der kritischen Dichte des kritischen Dichte des Universums imUniversums immSUGRA-ModellmSUGRA-Modell(R-Parität erhalten)(R-Parität erhalten)

Page 17: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

5 LHC Messung an Punkt 55 LHC Messung an Punkt 5

LSP „unsichtbar“LSP „unsichtbar“

Cuts an Cuts an EETTmissmiss

führen zur Seperationführen zur Seperation

Indirekter Nachweis Indirekter Nachweis des LSPdes LSP

Page 18: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

6 Erzeugung von LSP in 6 Erzeugung von LSP in TeilchenbeschleunigernTeilchenbeschleunigern

Erzeugung durch Erzeugung durch ee++ e e- - AnnihilationAnnihilation

Alle Zerfallsprozesse theoretisch möglichAlle Zerfallsprozesse theoretisch möglich

Bsp:Bsp:

Bestimmung der Massendifferenz von Neutralinos Bestimmung der Massendifferenz von Neutralinos häufig über häufig über χχ22

0 0 – Zerfälle (Dreikörperzerfall)– Zerfälle (Dreikörperzerfall)~~

Page 19: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Massenbestimmug über DileptonMassenbestimmug über Dilepton

Durch Cuts an Durch Cuts an EETTmissmiss , etc. , etc.

zeichnet sich eine scharfe Kante zeichnet sich eine scharfe Kante für Dileptonenmasse abfür Dileptonenmasse abmmllll = 108,93 GeV = 108,93 GeV

Vorraussetzung für komplexere Vorraussetzung für komplexere ZerfälleZerfälle

KaskadenzerfälleKaskadenzerfälle

Page 20: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

6 Massenspektren verschiedener 6 Massenspektren verschiedener ModelleModelle

Page 21: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Ausblick -- FazitAusblick -- Fazit

Falls Supersymmetrie-Theorie bestätigt, direkter Falls Supersymmetrie-Theorie bestätigt, direkter Nachweis und Erzeugung von DM möglichNachweis und Erzeugung von DM möglich

Tieferes Verständnis des frühen UniversumsTieferes Verständnis des frühen Universums

Page 22: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

Ausblick -- FazitAusblick -- Fazit

Durch Verkoppelung von Fermionen Durch Verkoppelung von Fermionen und Bosonen Lösung des Hierarchie-und Bosonen Lösung des Hierarchie-ProblemsProblemsExperimenteller direkter Beweis für Experimenteller direkter Beweis für SUSY steht noch ausSUSY steht noch ausVerletzung der R-Parität ? Verletzung der R-Parität ? zusätzlich 45 Parameter (Yukawa-zusätzlich 45 Parameter (Yukawa-Kopplungen)Kopplungen)

LSP: Verständnis von 27 % der LSP: Verständnis von 27 % der Energie im Universum (dunkle Energie im Universum (dunkle Energie ?)Energie ?)

Materiezusammensetzung im Universum

Baryonische Materie

4%

Dunkle Energie

73%

Dunkle Materie

23%

Page 23: Dunkle Materie im Labor Vortrag zum Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall Berlin, 22.12.2006 Von Daniel Beuth

QuellenQuellen- De Boer, Wim: second int. School of astroparticle physics, Nijmwegen 2006De Boer, Wim: second int. School of astroparticle physics, Nijmwegen 2006- Heuer, Miller, Richard, Zerwas: Tesla Technical Design Report. Part III. Physics at anHeuer, Miller, Richard, Zerwas: Tesla Technical Design Report. Part III. Physics at an

ee++ e e-- Linear Collider. Linear Collider. 20012001- H.V.Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: "Teilchenastrophysik"H.V.Klapdor-Kleingrothhaus; K. Zuber: "Teilchenastrophysik"- Kraml, Sabine: Neutralino Dark Matter. Neue Entwicklungen in der Teilchenphysik. Kraml, Sabine: Neutralino Dark Matter. Neue Entwicklungen in der Teilchenphysik.

20062006

-- Martin, Stephen: a supersymmetry primer, DeKalb und Batavia 2006Martin, Stephen: a supersymmetry primer, DeKalb und Batavia 2006

-- Meyer, Arndt: Status und Perspektiven der Supersymmetrie, DPG-Tagung, Dortmund Meyer, Arndt: Status und Perspektiven der Supersymmetrie, DPG-Tagung, Dortmund 20062006

- Polesello, Giacomo: Part 4/3. SUSY Dark Matter and LHC. Sezione di Pavia Polesello, Giacomo: Part 4/3. SUSY Dark Matter and LHC. Sezione di Pavia - Tovey, Dan: Measurements of the LSP mass. PragTovey, Dan: Measurements of the LSP mass. Prag- Atlas Detector and physics performance. Technical Design Report. 1999Atlas Detector and physics performance. Technical Design Report. 1999