Vortrag Physikalische Gesellschaft Zuerich, 29.1.04

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Vortrag Physikalische Gesellschaft Zuerich, 29.1.04

Elementarteilchenphysik

und

Kosmologie

U. Straumann, pgz, 29.1.04


Dunkle Materie im Universum ­

eine neue „ Spiegelwelt“ der Teilchenphysik?

Kosmologen entdecken eine neue Materieart

Kann die Teilchenphysik

mit Hilfe von Supersymmetrie

dafür eine Erklärung bieten?

Was muss das für den Exp. Teilchenphysiker

für Konsequenzen haben?


1. Standardmodell der Teilchenphysik

Wechselwirkungen, Quarks, Leptonen,

„ Spiegelwelten“ : ­ Antimaterie

­ 3 Generationen

2. Anwendung in der Kosmologie

­ Vorgänge im frühen Universum

­ vom heutigen Universum aus betrachtet

Was ist Dunkle Materie?

3. Antworten der Teilchenphysik darauf?

­ eine neue „S piegelwelt“ ?

­ geplante Experimente


Quantenfeldtheorie beschreibt Wechselwirkungen


Wir kennen vier fundamentale Wechselwirkungen (Kräfte):

Standardmodell der Teilchenphysik


Quark

Lepton

Elektro ­ Schwache

Wechselwirkung

bewirkt 2 Zustände

elektrische

Ladung

+2/3 ­1/3

0

­1

upquark

downquark

neutrino

electron


elektrische

Ladung

+2/3 ­1/3

0

­1

upquark

downquark

neutrino

electron

Starke

Wechselwirkung

=> 3 Zustände

+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3


+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3

0

neutrino

­1

electron

upquark

downquark

= Bausteine der gewöhnlichen Materie, “ Baryonische Materie” :

Protonen, Neutronen ­> Atomkerne

Elektronen ­> Atome, Moleküle ...

Warum sind die mittleren Ladungen („ Hyperladungen“ ) gerade +1/6 und ­1/2 ?

Muss so sein, denn das Universum ist elektrisch neutral. Aber warum?


Antimaterie von Paul Dirac 1930 vorhergesagt

aus

­ spezieller Relativitätstheorie (Einstein)

­ Quantenmechanik (Schrödinger)

wegen der Energieäquivalenz E=± p 2 c 2 m 2 c 4

­ gibt es zu jedem Zustand auch eine negative Energielösung

­ mit umgekehrtem Vorzeichen der elektrischen Ladung

­ mit umgekehrtem Eigendrehimpuls (Helizität)

= Antiteilchen

Symmetrieoperation CP: Teilchen

Antiteilchen

Das Positron wurde in der Höhenstrahlung gefunden

­ 1932 von Anderson,

­ 1933 von Blackett und Occhialini

e . e −.


auch: Teilchen und Antiteilchen werden paarweise erzeugt

und vernichtet


Nebelkammer mit Bleiplatte im Magnetfeld


+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3

+2/3 ­1/3

0

neutrino

­1

electron

Spiegelwelt: Antimaterie

CP Operation:

C: Ladung

P: Helizitaet

­2/3 +1/3

­2/3 +1/3

­2/3 +1/3

0

antineutrino

+1

positron

upquark

downquark

anti­upquark

anti­downquark


Die CP Symmetrie ist fast vollkommen, aber nicht ganz

Es gibt kleine Unterschiede zwischen der Welt

und der Antiwelt

Es gibt einen kleinen Unterschied in den Wahrscheinlichkeiten

zwischen Teilchen und Antiteilchen für gewisse Prozesse:

K L

=d s

B=b d

Zerfälle, 1964, Chistensen, Cronin, Fitch, Turley

Zerfälle, 2002, SLAC(USA), KEK(Japan)

CP Verletzung ist existentiell für uns: Es gibt Materie im Universum,

aber (fast) keine Antimaterie,

wegen einer CP ­ Asymmetrie existieren wir überhaupt


+2/3 ­1/3

0

­1

Generationen:

1.

upquark

downquark

+2/3 ­1/3

up

neutrino

electron

Experimentelle Beobachtungen:

Es gibt 3 Generationen von Quarks und Leptonen

(ebenso Antiteilchen): noch eine Spiegelwelt

down

0

ν

e

­1

e

2.

+2/3 ­1/3

charm

strange

0

ν

µ

­1

µ

3.

+2/3 ­1/3

top

bottom

0

ν

τ

­1

τ


Warum gibt es 3 Generationen?

Niemand weiss es!

Die 2. und 3. Generation haben grössere Massen

Sie zerfallen relativ schnell über die schwache Wechselwirkung

in Quarks und Leptonen der 1. Generation.

Aber (mindestens) 3 Generationen braucht es, um eine

eine leichte Verletzung der CP ­ Symmetrie zu erzeugen

(Modell von Kobayashi­Maskawa, 1973, verwendet

die Kopplung der schwachen Wechselwirkung an die Quarks)


Ingredienzen des Standardmodells:

Quarks und Leptonen

sind Fermionen (Spin 1/2)

Teilchen und Antiteilchen

in 3 Generationen

starke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkung

Quantenfelder: Gluon g, Photon , W . , W −. ,Z 0

sind Bosonen (Spin 1)

W und Z haben Masse durch Higgsmechanismus

deshalb ist die schwache Wechselwirkung „ schwach“

Alle bekannten Prozesse lassen sich durch das SM genau beschreiben

einzige Ausnahme: Neutrino ­ Oszillationen


Das Standardmodell ist ein quantitativ sehr genaues Modell:

gemessene Parameter: ­ eine Kopplungskonstante pro Wechselwirkung

­ Massen der Quarks und Leptonen

­ ein paar weitere Konstanten

+ Quantenfeldtheorie

beschreibt alle gemessenen Reaktionen sehr genau:


Was ist nun eigentlich genau präzise?

Die Wechselwirkungen!

Alle die genauen Zahlen beziehen sich auf den sogenannten Eichsektor,

auf die Theorie der starken und elektroschwachen Wechselwirkung.

Die Fermionen kennen wir experimentell wesentlich weniger genau

(Flavorsektor).

Für seine Ladungsverteilungen und seine Massen haben wir keine gute

Theorie.

Die Hyperladungen scheinen chaotisch, die fundamentale Eigenschaft des

Universums, dass es elektrisch neutral ist, muss per Hand eingegeben

werden.

Das Higgs haben wir bisher nicht nachweisen können!

Es gibt noch viel zu tun!


Wir bekommen Hilfe von der Kosmologie!

Seit Hubble (1929) wissen wir, dass sich das

Universum ausdehnt.

Rückwärts geschaut, war das Universum einmal

viel kleiner und somit heisser.

Das BigBang Modell besagt, dass das Universum

vor ca. 13 Gy angefangen hat, und unterschiedlich

schnell auf seine heutige Grösse expandiert ist.


Bei T = 1 Protonmasse vernichten sich ­ fast ­ alle quarks und

antiquarks.

Es bleiben aber ein paar Quarks übrig

CP­Verletzung!

Daraus bilden sich Protonen und Neutronen

Bei T unter 1 Elektronmasse vernichten sich ­ fast ­ alle Elektronen

und Positronen, es bleiben ein paar Elektronen übrig.

Baryonen

Beobachtetes Verhältnis ————— =

Photonen

6.5 0.4 −0.3

×10 −10


„ Big Bang Nucleosynthesis“ der leichten Kerne

Beispiele von Prozessen:

pn ↔ d

dd↔H 3 p

H 3 d↔He 4 n

He 4 H 3 ↔Li 7

Tritium

zerfällt in D

Die Temperatur

bestimmt das

Gleichgewicht

Be7

zerfällt

in Li7


Kurven = theoretisches Modell

horizontale Linien =

heutige Messwerte

schneiden sich alle beim

gleichen Wert der

Baryonenmassendichte!


Cosmics Microwave Background (CMB):

Bis kurz vor dem Entkoppeln wird ein thermodynamisches Gleichgewicht

mit Hilfe des Comptonprozesses e↔e aufrechterhalten.

Nach dem Entkoppeln: Die Photonen kurven unbehelligt durchs Weltall,

die Form der Intensitätsverteilung bleibt „ eingefroren“

aber:

Ausdehnung

­> λ wird grösser

heutiger

Messwert:

T = 2.725(1) K


Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

WMAP misst Intensität und

Polarisation der Mikrowellenstrahlung


Wiederspiegelt die Dichtefluktuationen der letzten Streuebene

Skala: ­200 ... +200 µK


Spektrum der Fluktuationen.

Grösse der kausal verknüpften Gebiete

war damals etwa 1 Grad (Hubbleradius)


Direkt abgeleitete gemessene Grössen:

Definitionen

=

crit

= 3H2

8G ≈10−32 kg⋅cm −3

crit

Hubble Konstante H 0

=725 km / (s Mpc) h=H 0

/100

Baryonenenergiedichte b

h 2 = 0.024(1) konsistent mit D, Li Dichte

totale Materiedichte m

h 2 = 0.14(2) bestimmt auch die Clusterbildung

durch Gravitation

totale Energiedichte tot

=1.02±0.02

=> 1. Frage: Aus was besteht die restliche Materie? Dunkle Materie,

durchsichtige Materie

bekannte Teilchen:

Anzahldichte

Energiedichte

Baryonendichte heute 2.51×10 −7 cm −3

0.024

Photonendichte heute 410.49cm −3

4.3×10 −5

Neutrinodichte heute

.0.0076


Messe die Geschwindigkeitsverteilung der Sterne in einer Galaxie

(erstmals von F. Zwicky, 1926)

vergleiche mit Kepplergesetz

Man braucht erheblich mehr Masse, und eine andere Dichteverteilung als

die sichtbare Massenverteilung.


Messe Helligkeit =

Distanz der SNIa

als Funktion der

Rotverschiebung

= Alter

=> Das Universum expandiert immer schneller!

Notwendige zusätzliche Energiedichte etwa


=0.7

2. Frage: Was ist diese Vakuumenergiedichte?


Zusammenfassung:

Was wissen wir über die

Bestandteile des Universums

heute?


Was ist diese dunkle Materie?

Was ist diese dunkle Energie?

23% der Energiedichte

73% der Energiedichte

m

unsere bekannte baryonische Materie steuert nur gerade ca. 4% der Dichte bei.


Man will die totale

Energiedichte noch

besser messen:

Zeitevolution von

vorgeschlagenes

Satellitenteleskop

SNAP


SNAP Supernova

Acceleration Probe

2 m Teleskop

Kamera: 1 QuadratGrad

10 9

Pixels


3. Teil: Teilchenphysik: Standardmodell ist unvollständig

1. Die Gravitation ist nicht eingebunden

2. Strahlungskorrekturen der Quantenfeldtheorie zum Higgsfeld divergieren

3. Die Kopplungskonstanten der 3 Wechselwirkungen hängen von der

Energie ab und treffen sich – nicht genau – in einem Punkt.

4. Jedes Teilchen hat seine eigene Masse und sein Kopplungsfaktor an die

schwache Wechselwirkung, ohne fundamentales Prinzip.

5. Die kürzlich entdeckten Neutrinooszillationen benötigen

rechtshändiges Neutrino

6. Die im Standardmodell beschriebene CP­Verletzung ist konsistent bestätigt,

aber nicht gross genug für den Materieüberschuss im Weltall.

7. Die dunkle Materie wird nicht beschrieben.

Die beliebteste Theorie, die fast alles besser macht: (ausser 4.)

Supersymmetrische Vereinheitlichung

= Noch eine weitere Spiegelwelt


Zur Erinnerung:

Ingredienzen des Standardmodells:

Quarks und Leptonen

sind Fermionen (Spin 1/2)

Teilchen und Antiteilchen

in 3 Generationen

starke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkung

Quantenfelder: Gluon g, Photon , W . , W −. ,Z 0

sind Bosonen (Spin 1)

W und Z haben Masse durch Higgsmechanismus

deshalb ist die schwache Wechselwirkung „ schwach“

Alle bekannten Prozesse lassen sich durch das SM genau beschreiben

einzige Ausnahme: Neutrino ­ Oszillationen


Supersymmetrie:

Zu jedem Fermion gibt es ein Boson

mit ansonsten gleichen Eigenschaften

und umgekehrt

die dritte Spiegelwelt!

Beispiele von

Superpartnern:

q q

e e


W W

squark, S=0

selektron, S=0

photino, S=1/2

wino, S=1/2

Supersymmetrie kann nicht genau exakt sein, sonst hätten die

supersymmetrischen Partner gleiche Massen, und wir hätten sie schon

lange gefunden.

SUSY löst alle erwähnten Probleme, ausser den Flavor­Sektor, es

hat noch immer (und noch mehr!) Massen und Kopplungen für alle Teilchen.

Andererseits gibt es bisher nicht den geringsten experimentellen Hinweis,

dass SUSY in der Natur existiert.

Aber theoretisch sehr überzeugend!


R­Parity: Multiplikative Quantenzahl, muss erhalten sein.

Normale Teilchen haben R= +1

Superpartner haben R= ­1

=> Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise erzeugt

und vernichtet werden.

Was sind die Massen der SUSY Teilchen?

Weiss man nicht.

Aber: Das leichteste SUSY Teilchen („ LSP“ ) kann nicht zerfallen (R­parity)!

Das LSP könnte das gesuchte Teilchen sein, dass die „ dunkle Materie“ bildet!

Es müsste elektrisch neutral sein, nennen wir es und (Neutralino)

Annihilation zum Beispiel:


Thermische Relikte aus dem frühen expandierenden Universum:

Das Universum bestehe aus verschiedenen Teilchen der Sorte i mit

der Teilchenzahldichte n i , die sich mit der mittleren

Geschwindigkeit v i

bewegen sollen. Sie annihilierten mit der cross section

in andere Teilchen des Universums, z.B. Neutralinos und Elektronen

i

↔e −. e .

Dann beträgt die mittlere Wechselwirkungsrate =n i

⋅v i

⋅ i und die

Bedingung für die Existenz eines thermodynamisches Gleichgewicht zwischen

den Photonen und den Neutralinos ist ≫H

Andernfalls finden sich die Teilchen nicht mehr, weil das

Universum zu schnell expandiert.

Wenn v oder n im Laufe der Expansion abnimmt, dann ist diese

Bedingung nicht mehr erfüllt. Dann „ friert diese Teilchensorte aus“ .

(zum Beispiel Photonen der Hintergrundstrahlung)


Die Geschwindigkeitsverteilung bei einer bestimmten Temperatur

des Universums hängt von der Masse der Teilchen ab.

Theorien deren Teilchen beim „ Freeze out“ nicht relativistisch waren,

T≪m

nennt man cold dark matter CDM. (hot dark matter sonst)

Auch der Wirkungsquerschnitt mit der Umgebung bestimmt den

Zeitpunkt des „ Freeze outs“ mit.


Teilchenzahldichte (normiert auf Entropie) n

n

Freeze out von nicht relativistischen Teilchen:

Thermod.

Gleichgewicht

m

T


Alle Messungen, insbesondere WMAP, sind konsistent mit CDM.

Vernünftige Annahmen von SUSY – Modellen, allen relevanten

Resultaten der Teilchenphysik und der heute gemessene Anteil an der

Energiedichte des Universums führt zu Grössenordnungen von

(modellabhängig)

m 200...500 GeV

Aus bisherigen Beschleunigerexperimenten:

m 56GeV


Drei Strategien zur Suche nach den CDM Teilchen:

1. Hochenergiebeschleuniger mit genügend Energie: LHC

2. Direkter Nachweis mit geeigneten Detektoren: z.B. Dama, Edelweiss

3. Suche nach Annihilationsstrahlung von zwei CDM Teilchen in

gewöhnliche Teilchen, z.B. in Photonen: MAGIC

(Annihilation in (Anti ­) Deuteronen waere auch eindeutig zu erkennen

­> Satellitenprojekt geplant)


LHC: proton proton collider

27 km Umfang

7+7=14 TeV Energie

Inbetriebnahme 1. April 2007

Neutralinos

bis zu mehreren

hundert GeV finden.


2. Strategie: direkte Suche nach CDM Teilchen (WIMP)

DAMA: 100kg NaI Szintillations ­ Detektor im CNGS (Gran Sasso) bei Rom

misst die Energie von Rueckstosskernen, die von einem dark Matter Teilchen

angestossen wurden. Erwarten eine jährliche Periode, entsprechend der

Variation der Geschwindigkeit der Erde.


Edelweiss im Frejus Tunnel

0.32 kg Germanium Detektor bei T=17 mK

misst: Ionisationsstrom

Energie durch Wärme

Rückstosselektronen von Photonen

Keine Rückstosskerne gesehen


3. Strategie: X

MAGIC Atm. Cerenkov Licht Teleskop

La Palma, in Betrieb seit Oktober 03

17 m, 230

1.5 m 2

Kamera mit 577 PMT

misst Richtung und Zeit des C­Lichtes

Oeffnung 4 o

Aufloesung 0.2 o

m 2 E 30 GeV.....20GeV

Schwellwert


Zusammenfassung:


Die Teilchenphysik beschreibt die baryonische Materie mit Quark und

Leptonen, sowie mit 2 Spiegelwelten: Antimaterie und 3 Generationen


Nur 4% der Energiedichte im Universum „ kennt“ die Teilchenphysik so.


Supersymmetrie als dritte Spiegelwelt verbessert die Konsistenz der

Teilchenphysik, bringt aber viele neue Konstanten


Das leichteste supersymmetrische Teilchen ist ein guter Kandidat

für die dunkle Materie


Drei experimentelle Strategien, um es zu finden:

1. Am Hochenergiebeschleuniger LHC

2. Durch direkte Wechselwirkung mit einem irdischen Detektor

3. Indirekte Suche durch Nachweis von Zerfallsphotonen

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