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
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
1 Dunkle Materie1 Dunkle Materie• MotivationMotivation
• Rotationsverhalten der GalaxienRotationsverhalten der Galaxien• Gravitationsverhalten der GalaxienGravitationsverhalten der Galaxien
1 Dunkle Materie1 Dunkle Materie
Materiezusammensetzung im Universum
Baryonische Materie
4%
Dunkle Energie
73%
Dunkle Materie
23%
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
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
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
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
3 SM und SUSY3 SM und SUSY
Superpartner haben unterschiedlichen SpinSuperpartner haben unterschiedlichen Spin
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
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)
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)
~ ~ ~ ~
~
~
~
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“
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
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
~~
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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)
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
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)~~
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
6 Massenspektren verschiedener 6 Massenspektren verschiedener ModelleModelle
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
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%
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