One Ring to find them --- Neue Teilchen am LHC

Transcription

J. Reuter
One Ring to find them — Neue Teilchen am LHC
Freiburg, 02.07.2007
Jürgen Reuter
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Antrittsvorlesung, Freiburg, 2. Juli 2007
J. Reuter
Teilchenphysik - “The High Energy Frontier”
System
Größe
Energie
−8
∼ 10−1 eV
Moleküle
10
Atome
10−10 m
∼ eV . . . . . . keV
Kerne
10
−14
m
∼ 10 MeV
10
−15
m
. 1 GeV
Nukleonen
Auflösungsvermögen: ∆x ∼ (∆E)−1
⇒ Hochenergie-Beschleuniger
m
J. Reuter
Das Standardmodell der Teilchenphysik – Erfolge
Wechselwirkung
Stärke
Reichweite
1
∼ 10−15 m
elektromagnetisch
10−2
∞
schwach
10−12
. 10−17 m
Gravitation
10−39
∞
stark
– Wechselwirkungen: relativistische Quantenfeldtheorien
– schwache WW: erklärt radioaktive Zerfälle
Fermi, 1934
– elektroschwache Vereinigung
Glashow, Salam, Weinberg, 1967-1969
– starke WW: asymptotische Freiheit
Gross, Politzer, Wilczek, 1973
– Entdeckung des Gluons
DESY 1979
W, Z
– Experimentelle Bestätigung: besser als 1%
CERN, 1983
Eigenschaft
J. Reuter
Das Higgs-Boson – A Long Expected Party
– Higgs: fundamentales Skalarfeld
Brout, Englert, Higgs, 1964
– Vakuumerwartungswert v = 246 GeV
– bricht elektroschwache Symmetrie
zum Elektromagnetismus
– verleiht Elementarteilchen Masse
– koppelt proportional zur Masse
40 Jahre erfolglose Suche
J. Reuter
Das Standardmodell der Teilchenphysik – Zweifel
Measurement
(5)
∆αhad(mZ)
mZ [GeV]
ΓZ [GeV]
0
σhad
[nb]
0.02768
91.1875
2.4952 ± 0.0023
2.4957
41.540 ± 0.037
20.767 ± 0.025
Rl
0,l
0.01714 ± 0.00095
Afb
Al(Pτ)
Rb
Fit
0.02758 ± 0.00035
91.1875 ± 0.0021
0.1465 ± 0.0032
0.21629 ± 0.00066
0.1481
0.21586
0.1721 ± 0.0030
0.1722
0.0992 ± 0.0016
0.1038
0.0707 ± 0.0035
Afb
0.923 ± 0.020
Ab
0.670 ± 0.027
Ac
Al(SLD)
2
lept
sin θeff (Qfb)
mW [GeV]
ΓW [GeV]
mt [GeV]
(zu gut?)
28 freie Parameter
41.477
20.744
0,c
Afb
– beschreibt Mikrokosmos
0.01645
0,b
Rc
meas
fit
meas
|O
−O |/σ
0
1
2
3
0.0742
0.935
0.668
0.1513 ± 0.0021
0.1481
0.2324 ± 0.0012
0.2314
80.398 ± 0.025
80.374
2.140 ± 0.060
2.091
170.9 ± 1.8
171.3
0
1
2
3
Form des Higgs-Potentials ?
Hierarchie–Problem
chirale Symmetrie: δmf ∝ v ln(Λ2 /v 2 )
keine Symmetrie für Quantenkorrekturen
zur Higgs-Masse
2
δMH
∝ Λ2
Λ ∼ MPlanck = 1019 GeV
20000 GeV2 = ( 1000000000000000000000000000000020000 –
1000000000000000000000000000000000000 ) GeV2
J. Reuter
Das Standardmodell der Teilchenphysik – Zweifel
– beschreibt Mikrokosmos
(zu gut?)
– 28 freie Parameter
– Form des Higgs-Potentials ?
Hierarchie–Problem
MH [GeV]
chirale Symmetrie: δmf ∝ v ln(Λ2 /v 2 )
keine Symmetrie für Quantenkorrekturen
zur Higgs-Masse
750
500
250
Λ[GeV]
103
106
109 1012 1015 1018
2
2
δMH
∝ Λ2 ∼ MPlanck
= (1019 )2 GeV2
20000 GeV2 = ( 1000000000000000000000000000000020000 –
1000000000000000000000000000000000000 ) GeV2
J. Reuter
Offene Fragen
60
50
– Vereinigung aller Wechselwirkungen (?)
αi-1
– Baryonasymmetry ∆NB − ∆NB̄ ∼ 10−9
fehlende CP-Verletzung
30
– Winzige Neutrino-Massen: mν ∼
– Dunkle Materie:
I
I
I
stabil
schwach wechselwirkend
mDM ∼ 100 GeV
– Quantentheorie der Gravitation
– Kosmische Inflation
– Kosmologische Konstante
SU(2)
20
10
– Flavour: drei Generationen
U(1)
40
SU(3)
Standard Model
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10 10 10 10 10 10 10 10 10
2
v
M
µ (GeV)
J. Reuter
J. Reuter
Ideen für Neue Physik seit 1970
(1) Symmetrie zur Eliminierung der Quantenkorrekturen
– Supersymmetrie: Spin-Statistik ⇒ Korrekturen von Bosonen und
Fermionen heben sich weg
– Little-Higgs-Modelle: Globale Symmetrien ⇒ Korrekturen durch Teilchen
gleicher Statistik heben sich weg
(2) Neue Bausteine, Sub-Struktur
– Technicolor/Topcolor: Higgs gebundener Zustand stark
wechselwirkender Teilchen
(3) Nichttriviale Raumzeitstruktur eliminiert Hierarchie
– Zusätzl. Raumdimensionen: Gravitation erscheint nur schwach
– Nichtkommutative Raumzeit: Körnigkeit der Raumzeit
(4) Ignorieren der Hierarchie
– Anthropisches Prinzip: Werte sind so, weil wir sie beobachten
J. Reuter
Supersymmetrie (SUSY)
Gelfand/Likhtman, 1971; Akulov/Volkov, 1973; Wess/Zumino, 1974
Q
– verknüpft Eich- und Raumzeit-Symmetrien
|Bosoni
|Fermioni
Q
– Multipletts mit Fermionen und Bosonen
gleicher Masse
⇒ SUSY in der Natur gebrochen
J
1
r
1
2
r
0
r
r
r
– Erweitere jedes Teilchen um
einen Superpartner
– Minimales Supersymmetrisches
Standard-Modell (MSSM)
– Masseneigenzustände:
Charginos: χ̃± = H̃ ± , W̃ ±
Neutralinos: χ̃0 = H̃, Z̃, γ̃
J. Reuter
Hassliebe SUSY: Erfolge und Nebenwirkungen
spontane SUSY-Brechung im MSSM E
(SUSY-Partner im MeV-Bereich)
Λ(?)
Brechung in “hidden sector”
Brechungsmechanismus induziert 100
freie Parameter
löst Hierarchieproblem:
δMH ∝ F log(Λ2 )
60
I
50
I
U(1)
I
αi-1
40
30
I
SU(2)
SU(3)
leichtes Higgs (MH = 90 ± 50 GeV)
diskrete R-Parität
I
Standard Model
I
I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10 10 10 10 10 10 10 10 10
µ (GeV)
I
v = 246 GeV
Existenz fundamentaler Skalare
Form des Higgs-Potentials
20
10
F = O(1 TeV)
SM-Teilchen gerade, SUSY-Partner
ungerade
verhindert zu schnellen Protonzerfall
leichtester SUSY-Partner (LSP) stabil
Dunkle Materie χ̃01
Vereinigung der Kopplungskonstanten
J. Reuter
Λ(?)
freie Parameter
I
60
50
MSSM
U(1)
I
αi-1
40
30
I
I
SU(2)
I
SU(3)
I
I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
10 10 10 10 10 10 10 10 10
µ (GeV)
I
v = 246 GeV
20
10
F = O(1 TeV)
ungerade
J. Reuter
Λ(?)
freie Parameter
I
800
m [GeV]
I
700
600
g̃
ũL , d˜R
ũR , d˜L
500
400 H 0 , A0
H±
χ̃040
χ̃3
χ̃±
2
χ̃02
χ̃±
1
t̃2
I
b̃2
b̃1
I
300
I
200
100
0
h0
l̃L
ν̃l
τ̃2
l̃R
τ̃1
I
χ̃01
I
v = 246 GeV
I
t̃1
F = O(1 TeV)
ungerade
J. Reuter
”SUSY will be discovered, even if non-existent”
J. Reuter
Und wenn nicht SUSY?
J. Reuter
Higgs als Pseudo-Goldstone-Boson: Technicolor
Nambu-Goldstone-Theorem: Spontane Brechung einer globalen Symmetrie: masselose (Goldstone)-Bosonen im Spektrum
1960/61
Color:
Adler/Weisberger, 1965; Weinberg, 1966-69
Leichte Pionen als (Pseudo)-Goldstone-Bosonen
gebrochenen chiralen Symmetrie
Λ
O(1 GeV)
O(150 MeV)
v
der
spontan
Skala Λ: chirale
Symmetriebrechung,
Quarks, SU (3)C
Skala v: Pionen, Kaonen, . . .
J. Reuter
Higgs als Pseudo-Goldstone-Boson: Technicolor
Nambu-Goldstone-Theorem: Spontane Brechung einer globalen Symmetrie: masselose (Goldstone)-Bosonen im Spektrum
1960/61
Technicolor:
Georgi/Pais, 1974; Georgi/Dimopoulos/Kaplan, 1984
Leichtes Higgs als (Pseudo)-Goldstone-Bosonen einer neuen spontan
gebrochenen chiralen Symmetrie
Λ
O(1 TeV)
O(250 GeV)
v
Skala Λ: chirale
Symmetriebrechung,
Techni-Quarks, SU (N )T C
Skala v: Higgs, Techni-Pionen
experimentell eingeschränkt, aber nicht ausgeschlossen
J. Reuter
Kollektive Symmetriebrechung,
Moose-Modelle
Kollektive Symmetriebrechung:
Arkani-Hamed/Cohen/Georgi/Nelson/. . . , 2001
2 verschiedene globale Symmetrie; eine davon
ungebrochen ⇒ Higgs exaktes Goldstone-Boson
Higgs-Masse erst durch Quantenkorrekturen
2. Ordnung:
Λ
O(10 TeV)
O(1 TeV)
F
O(250 GeV)
v
MH ∼ (0.1)2 × Λ
Skala Λ: chirale SB, starke WW
Skala F :
Pseudo-Goldstone-Bosonen,
neue Eichbosonen
Skala v: Higgs
J. Reuter
Little-Higgs-Modelle
– Ökonomische Implementierung der
kollektiven Symmetriebrechung
– Neue Teilchen:
I
I
Eichbosonen:
γ0, Z0, W 0 ±
Schwere Fermionen:
T , U , C, . . .
Littlest Higgs
M [GeV]
1250
Φ
Φ±
Arkani-Hamed/Cohen/Katz/Nelson, 2002
Z0
Φ±±
Quantenkorrekturen zu
MH eliminiert durch
Teilchen gleicher
Statistik
T
ΦP
1000
γ
750
I
W0±
0
U, C
500
250
h
η
– “Little Big Higgs”: Higgs schwer (300 − 500 GeV)
– diskrete T -(TeV-Skala)-Parität:
I
ermöglicht leichtere neue Teilchen
I
Dunkle Materie: LTOP (lightest T-odd), meistens γ 0
t
W±
Z
J. Reuter
Extra Dimensionen & Higgslose Modelle
Motivation: Stringtheorie
30
3 + n Raumdimensionen: Radius R ∼ 10 n −17
cm
Antoniadis, 1990; Arkani-Hamed/Dimopoulos/Dvali, 1998
Gravitation stark in höheren Dimensionen
Teilchen im Potentialtopf: Kaluza-Klein-Tower
Produktion von Mini-Black Holes am LHC
I
“Higgsless Models”: Higgs Komponente
höherdim. Eichfeldes
I
“Large Extra Dimensions”: Kontinuum
von Zuständen
“Warped Extra Dimensions”: diskrete,
Randall/Sundrum, 1999
auflösbare Resonanzen
I
I
“Universal Extra Dimensions”: auch
Fermionen/Eichbosonen in höheren
Dimensionen
J. Reuter
Extra Dimensionen & Higgslose Modelle
Motivation: Stringtheorie
30
3 + n Raumdimensionen: Radius R ∼ 10 n −17
cm
Antoniadis, 1990; Arkani-Hamed/Dimopoulos/Dvali, 1998
Gravitation stark in höheren Dimensionen
Teilchen im Potentialtopf: Kaluza-Klein-Tower
Produktion von Mini-Black Holes am LHC
I
I
I
I
“Higgsless Models”: Higgs Komponente
höherdim. Eichfeldes
“Large Extra Dimensions”: Kontinuum
von Zuständen
“Warped Extra Dimensions”: diskrete,
auflösbare Resonanzen
Randall/Sundrum, 1999
“Universal Extra Dimensions”: auch
Fermionen/Eichbosonen in höheren
Dimensionen
J. Reuter
KK-Parität und Dunkle Materie
I
typische Kaluza-Klein-Spektren
700
1050
GH1,0L
Μ
1R = 500 GeV
1000
1R = 500 GeV
GH1,1L
Μ
650
mass
600
550
WH1,0L
Μ
500
450
400
BΜH1,0L
HH1,0L
LH1,0L
+
GH1,0L
H
E-H1,0L
TH1,0L
-
950
UH1,0L
-
900
mass
Q3+ H1,0L
QH1,0L
+
DH1,0L
-
Q3+ H1,1L
Q+H1,1L
DH1,1L
-
850
800
750
WH1,1L
Μ
WH1,0L
H
700
BH1,1L
Μ
BH1,0L
H
650
TH1,1L
UH1,1L
-
GH1,1L
H
HH1,1L
LH1,1L
+
EH1,1L
-
WHH1,1L
BH1,1L
H
600
I
Struktur des Spektrums ähnlich zu SUSY, aber im Spin verschoben
I
Dunkle Materie: leichtestes KK-ungerades Teilchen (LKP)
Photonresonanz γ 0
(in 5D Vektor, in 6D Skalar)
I
Zitat der SUSY-Orthodoxie:
“This is a strawman’s model invented with the only purpose to be
inflamed to shed light on the beauty of supersymmetry!”
J. Reuter
Nichtkommutative Raumzeit
Wess et al., 2000
– Annahme: nichtkommutierende
Raumzeit-Koordinaten [x̂µ , x̂ν ] = iθµν
– Klassisches Analogon: geladenes Teilchen im untersten
Landau-Niveau: {xi , xj }P = 2c(B −1 )ij /e
– Niederenergie-Limes in Stringtheorien
Seiberg/Witten, 1999
– Yang-Landau-Theorem verletzt: Z → γγ, gg möglich
– Streuquerschnitte hängen
vom Azimuthwinkel ab
⇒ Unterschiedliche Signale bei
Drehung der Erde
13000
-1
12000
11000
Number of Events
– Richtung im Universum:
Rotationsinvarianz gebrochen
LHC ( s = 14 TeV; L = 10 fb )
Λ NC = 100 GeV
standard model
B = (1,0,0)
K ZZ γ =-0.021; K Z γγ =-0.340
E = (1,0,0)
10000
9000
8000
7000
6000
5000
0
1
2
– Dunkle Materie, Kosmologie, theoretische Probleme
3
4
Φ(γ )
E
5
6
J. Reuter
Welches Modell?
A Conspiracy Unmasked
J. Reuter
Neue Teilchen am Large Hadron Collider
LHC @ CERN: ab Mai 2008
√
pp-Collider s = 14 TeV
J. Reuter
Die Herausforderung des LHC
QCD
Partonische Subprozesse: qq, qg, gg
WW
Keine feste partonische Energie
QCD
proton - (anti)proton cross sections
9
9
10
10
8
10
8
10
σtot
7
7
10
Tevatron
LHC
6
10
5
10
σb
3
σ (nb)
jet
σjet(ET
> √s/20)
10
1
10
σZ
0
10
2
10
σW
1
jet
σjet(ET
0
10
> 100 GeV)
-1
-1
10
10
-2
jet
σjet(ET
-4
10
-5
-6
pT
10
-3
10
10
Jet
-2
10
10
Hohe Raten für t, W/Z, H, ⇒
große Untergründe
33
10
-2 -1
4
10
3
10
events/sec for L = 10 cm s
4
10
2
L = 1034 cm−1 s−1
5
10
10
R = σL
6
10
-3
σt
10
> √s/4)
10
-4
σHiggs(MH = 150 GeV)
-5
p
WW
p
η
10
-6
10
-7
10
10
-7
0.1
1
√ s (TeV)
10
10
e−
J. Reuter
Die Herausforderung des LHC
Partonische Subprozesse: qq, qg, gg
Keine feste partonische Energie
proton - (anti)proton cross sections
9
9
10
10
8
10
8
10
σtot
7
7
10
Tevatron
LHC
6
10
5
10
σb
3
jet
σjet(ET
> √s/20)
10
1
10
σZ
0
10
2
10
σW
1
jet
σjet(ET
0
10
> 100 GeV)
-1
10
-2
10
-1
10
-2
10
-3
10
jet
σjet(ET
-4
10
-5
10
-6
10
-3
σt
10
> √s/4)
10
-5
10
forward
η = −5
WW
-6
10
-7
0.1
entral
-4
-7
10
Hohe Raten für t, W/Z, H, ⇒
große Untergründe
33
10
-2 -1
4
10
3
10
events/sec for L = 10 cm s
4
10
2
L = 1034 cm−1 s−1
5
10
10
R = σL
6
10
σ (nb)
10
1
√ s (TeV)
10
10
η=0
η = +5
J. Reuter
Die Detektoren – z.B. ATLAS
J. Reuter
Die Detektoren – z.B. ATLAS
J. Reuter
Die Suche nach dem Higgs
Produktion: Gluon-/Vektorboson-Fusion
zerfällt bevorzugt in schwerste Teilchen
bb̄ hoffnungslos: Untergrund!
Detektion seltener Zerfälle
Komplizierte Suche: viele Kanäle
hohe Statistik notwendig
γγ: Massenbestimmung
MH > 135 GeV: ZZ ∗ → ````
J. Reuter
MH > 135 GeV: ZZ ∗ → ````
J. Reuter
Signal significance
h → γγ
tth (h → bb)
h → ZZ(*) → 4 l
(*)
h → WW
→ lνlν
∫ L dt = 30 fb
(no K-factors)
-1
10
ATLAS
2
qqh
qqh
→ qq WW(*)
→ qq ττ
Total significance
10
MH > 135 GeV: ZZ ∗ → ````
1
100
120
140
160
180
200
2
Mh (GeV/c )
J. Reuter
MH > 135 GeV: ZZ ∗ → ````
J. Reuter
Suche nach neuen Teilchen
105
R
evt/10 GeV
L = 100 fb−1
Zerfallsprodukte schwerer Teilchen:
I
I
104
high-pT Jets
viele harte Leptonen
1000
Produktion farbiger Teilchen
schwach ww. Teilchen nur in Zerfällen
100
Dunkle Materie ⇔ diskrete Parität
I
I
0
(R, T , KK)
100
200
300
400
500
pT (b/b̄) [GeV]
nur Paare neuer Teilchen ⇒ hohe Energien, lange Zerfallsketten
Dunkle Materie ⇒ große fehlende Energie im Detektor (E
/T)
Unterschiedliche Modelle/Zerfallsketten — gleiche Signaturen
J. Reuter
Suche nach neuen Teilchen
Zerfallsprodukte schwerer Teilchen:
I
I
high-pT Jets
viele harte Leptonen
I
ℓ
χ̃01
ℓ̃R
ℓ̃R
schwach ww. Teilchen nur in Zerfällen
I
ℓ
q̃L
Produktion farbiger Teilchen
Dunkle Materie ⇔ diskrete Parität
q
q
q
q̃R
q
χ̃01
ℓ
ℓ
(R, T , KK)
nur Paare neuer Teilchen ⇒ hohe Energien, lange Zerfallsketten
Dunkle Materie ⇒ große fehlende Energie im Detektor (E
/T)
Unterschiedliche Modelle/Zerfallsketten — gleiche Signaturen
J. Reuter
Modell-Diskriminierung – A Journey to Cross-Roads
I
Masse neuer Teilchen: Endpunkte von Zerfallsspektren
0.04
`2
`1
dp / d(cos θ*) / 0.05
q1
Events/1 GeV/100 fb-1
1500
1000
500
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
SUSY
UED
PS
0.005
q̃L
χ̃20
`˜
R
χ̃10
0
0
0
20
40
60
m(ll) (GeV)
80
-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
100
cos θ*
I
Spin neuer Teilchen: Spin neuer Teilchen: Winkelverteilungen, . . .
I
Modellbestimmung: Messung von Kopplungskonstanten
⇒ Präzise Vorhersagen für Signal und Untergründe
– Berücksichtigung von kinematischen Schnitten
– Exklusive Vielteilchen-Endzustände: 2 → 4 bis 2 → 10
– Quantenkorrekturen: Reelle und virtuelle Korrekturen
J. Reuter
Ausblick
pedo mellon a minno.
I
LHC: neues Zeitalter der Physik bricht an
I
Neue Teilchen, neue Symmetrien, neue Wechselwirkungen
I
Dunkle Materie
I
Spannende Zeiten!
“Will man nun annehmen, dass das abstrakte Denken
das Höchste ist, so folgt daraus, dass die Wissenschaft
und die Denker stolz die Existenz verlassen und es
uns anderen Menschen überlassen, das Schlimmste
zu erdulden. Ja es folgt daraus zugleich etwas für den
abstrakten Denker selbst, dass er nämlich, da er ja doch
selbst auch ein Existierender ist, in irgendeiner Weise
distrait sein muss.”
Søren Kierkegaard
J. Reuter
Ausblick
pedo mellon a minno.
I
LHC: neues Zeitalter der Physik bricht an
I
Neue Teilchen, neue Symmetrien, neue Wechselwirkungen
I
Dunkle Materie
I
Spannende Zeiten!
“Will man nun annehmen, dass das abstrakte Denken
das Höchste ist, so folgt daraus, dass die Wissenschaft
und die Denker stolz die Existenz verlassen und es
uns anderen Menschen überlassen, das Schlimmste
zu erdulden. Ja es folgt daraus zugleich etwas für den
abstrakten Denker selbst, dass er nämlich, da er ja doch
selbst auch ein Existierender ist, in irgendeiner Weise
distrait sein muss.”
Søren Kierkegaard

One Ring to find them --- Neue Teilchen am LHC

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