Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII. Założenia. Widmo czastek Przewidywania Obecne wyniki Przyszłe poszukiwania

Transkrypt

1 Supersymetria Wykład XII Założenia Elementy fizyki czastek elementarnych Widmo czastek Przewidywania Obecne wyniki Przyszłe poszukiwania Mały Higgs

2 Problem hierarchi Czy Model Standardowy może pozostać słuszny aż do skali unifikacji Problem hierarchi - problem ze zdefiniowaniem masy Higgsa: f h h GeV? Poprawki zwiazane z pętlami fermionowymi (dominuje kwark t) rosna jak... Aby uzyskać (na poziomie 1TeV musimy niesłychanie precyzyjnie dobrać parametry modelu ), tak aby zapewnić kasowanie tych poprawek. Model przestaje jednak być naturalny. Prawdopodobieństwo, że przy losowym wyborze parametrów Modelu Standardowego dostaniemy dobra mase bozonu Higgsa. A.F.Żarnecki Wykład XII 1

3 A.F.Żarnecki Wykład XII 2

4 Problem hierarchi Jak ustabilizować masę Higgsa (duże poprawki )? doprowadzić do automatycznego kasowania się poprawek SUPERSYMETRIA dodać nowe oddziaływania/czastki przy skali Wiele możliwości. Ostatnio szeroko dyskutowana MAŁY HIGGS obniżyć skalę do TeV DODATKOWE WYMIARY A.F.Żarnecki Wykład XII 3

5 Supersymetria Problem rozbieżnych poprawek do masy Higgsa nie pojawia się jeśli dla każdego fermionu w teorii dodamy dokładnie mu odpowiadajace bozony. Poprawki od pętli bozonowych: h maja przeciwny znak i kasuja rozbieżności fermionowe. φ h Pozostaja jedynie skończone wkłady, proporcjonalne do różnic mas bozonów i fermionów. h φ h aby uratować potrzebujemy nowych cz astek (bozonów) przy skalach TeV. A.F.Żarnecki Wykład XII 4

6 Supersymetria Podstawy teorii Zaproponowana 1970 na podstawie czysto teoretycznych spekulacji... Supersymetria: symetria łacz aca czastki (własności czastek) o różnych spinach. Podstawowe założenia: Zachowujemy grupę cechowania U(1) SU(2) SU(3) Dla każdej znanej czastki dodajemy jej super-partnera o spinie różnym o : fermion (s= bozon cechowania (s=1) Higgs (s=0) ) sfermion (s=0) gaugino (s= higgsina (s= ) ) A.F.Żarnecki Wykład XII 5

7 A.F.Żarnecki Wykład XII 6

8 Supersymetria Widmo cz astek spin 0 spin spin 1 (s)leptony (s)kwarki bozony i gluina gaugina fotino zino wina Higgs(ina),,, gluony foton A.F.Żarnecki Wykład XII 7

9 Supersymetria Widmo czastek Uwagi: Tak jak w modelu Standardowym mamy 3 generacje skwarków i sleptonów indeksy idla sleptonów i skwarków nie oznaczaja skrętności (spin = 0) i sa partnerami i różne czastki!!! (choć moga mieć ta sama masę) Aby nadać masy większej liczbie czastek musimy rozszerzyć sektor Higgsa Dwa dublety Higgsa w Modelu Standardowym (możliwe także bez supersymetrii) 8-3 = 5 czastek: lekki Higgs skalarny ciężki Higgs skalarny Higgs pseudoskalarny 2 naładowane Higgsy 4 higgsina w SUSY:,, A.F.Żarnecki Wykład XII 8

10 Supersymetria Widmo czastek Uwagi (cd.): w Modelu Standardowym pola i mieszaj w ogólności mieszanie pól w SUSY może być inne, w mieszanie właczone sa także nowe pola Higgsa:,,,,,,, a się dajac, i bozon neutralina chargina. Gdyby supersymetria była pełna to super-czastki miałyby takie same własności (ładunek, sprzężenia, masy!) co ich standardowi patnerzy. Taki scenariusz jest wykluczony przez doświadczenie, bo nie znaleziono lekkich czastek supersymetrycznych (o masach 1 GeV) Supersymetria musi być złamana Ale jeśli łamanie jest spontaniczne, to możemy uzyskać różne masy nie psujac teorii... Rozważanych jest wiele róznych mechanizmów łamania SUSY... A.F.Żarnecki Wykład XII 9

11 Supersymetria Supersymetria otwiera przed nami nowy, bogatszy świat: dziesiatki nowych czastek (do odkrycia) setki kanałów produkcji (do wykorzystania) tysiace kanałów rozpadu (do sprawdzenia!!!) To bogactwo ma jednak swoja cenę: ogólny model ma 124 (!) wolne parametry... Zazwyczaj rozważamy modele SUSY, w których założono dodatkowe relacje między poszczególnymi parametrami (wynikajace z mechanizmu łamania SUSY) możemy zejść do (nowych) 4-6 parametrów... MSSM - Minimal Supersymmetric Stanrdad Model A.F.Żarnecki Wykład XII 10

12 Supersymetria: Puszka Pandory Sami nie wiemy co nas czeka... A.F.Żarnecki Wykład XII 11

13 Supersymetria Widmo czastek Jeden z przykładowych scenariuszy rozważanych w studiach nad LHC i innymi przyszłymi akceleratorami - podstawowy parametr opisujacy czastki Higgsa - stosunek wartości próżniowych (pozycji minimum potencjału) dla dwóch dubletów Higgsa. sprzężenia jak w SM A.F.Żarnecki Wykład XII 12

14 Inny możliwy scenariusz m [GeV] SPS Standard Points and Slopes g ũ L, d R ũ R, d L t 2 b2 b1 400 H 0, A 0 H ± χ 0 χ χ ± 2 t ll ν l τ 2 χ 0 2 χ ± h 0 lr τ 1 χ A.F.Żarnecki Wykład XII 13

15 Przewidywania Supersymetria Pełna unifikacja oddziaływań elektrosłabych i silnych (przy odpowiednim doborze mas) Słaby kat mieszania: 60 Spontaniczne łamanie symetrii elektrosłabej pojawia się naturalnie jesli α 1 1 duża masa kwarku została przewidziana w ramach SUSY 20 lat temu ogromny sukces!!! najlżejszy bozon Higgsa α α 2 1 α Log 10 (Q/1 GeV) główny cel łowców supersymetrii Supersymetria daje też źródła dodatkowego łamania CP (bariogeneza) i kandydatów na ciemna materię... A.F.Żarnecki Wykład XII 14

16 ! Parzystość R Supersymetria W ogólnym przypadku supersymetria dopuszcza łamanie liczby leptonowej i barionowej. W szczególności możliwy jest rozpad protonu: u e+ ~ d p u d π d d Naogół wprowadzamy dodatkowa symetrię (multiplikatywna liczbę kwantowa) zwana parzystościa R:!(' % &!! " "$# Postulat zachowania parzystości R ma daleko idace konsekwencje: proton stabilny czastki SUSY zawsze produkowane w parach rozpadaja się na nieparzysta liczbę czastek SUSY najżejsza czastka supersymetryczna (LSP) stabilna zachowuje się jak ciężkie neutrino (nie oddziałuje) A.F.Żarnecki Wykład XII 15

17 Poszukiwanie SUSY Pierwsze ślady? SUSY tłumaczy rozbieżności między pomiarami masy a wynikami dopasowań SM: Pomiar bezpośredni i Pomiar bezpośredni (LEP2+ ) vs przewidywania SM i MSSM: vs przewidywania SM i MSSM: experimental errors 68% CL: LEP2/Tevatron (today) MSSM light SUSY M W MSSM LEP2+pp M W [GeV] heavy SUSY m t =179.4 GeV M H = 113 GeV SM GeV M H = 400 GeV SM Heinemeyer, Weiglein m t [GeV] log(m susy ) bardzo dobra zgodność... masy SUSY GeV A.F.Żarnecki Wykład XII 16

18 Poszukiwanie SUSY Sleptony Mogłyby być produkowane w LEP: & Nie obserwujemy takich przypadków: Gdzie neutralino jest najlżejsza czastk a supersymetryczna (LSP) nie oddziałuje, nie podlega detekcji (ucieka jak neutrino) Szukamy więc przypadków produkcji par leptonów z dużym brakujacym pędem poprzecznym (unoszonym przez ): wykluczamy istnienie o masach poniżej GeV A.F.Żarnecki Wykład XII 17

19 Poszukiwanie SUSY Stop Odwrotnie niż w SM, stop powinien być najlżejszym skwarkiem najłatwiejszy do wyprodukowania: Jeśli jest LSP to dominuja rozpady: Porównanie wyników z LEP i Tevatronu: M(ν ~ ) (GeV/c 2 ) ALEPH s 202 GeV M(t ~ 1 ) = M(b) + M(ν~ ) D0-108 pb -1 95% CL Excluded Preliminary CDF - 88 pb -1 BR(t ~ 1 b l ν~ ) = 100% 2 leptony + 2 jety LEP 1 Excluded M(t ~ 1 ) (GeV/c2 ) Dolne ograniczenie na masę : z szerokości w LEP I A.F.Żarnecki Wykład XII 18

20 Poszukiwanie SUSY Skwarki i gluina Czastki supersymetryczne nie musza rozpadać się od razu na LSP. Możliwe sa dużo bardziej skomplikowane rozpady kaskadowe (poprzez pośrednie stany supersymetryczne): Nie obserwujemy nadmiaru tego typu przypadków limity: squark mass (GeV/c 2 ) UA1 & UA2 M q = M g D0 CDF LEP 100 wiele jetów ( + leptony ) + LEP 1 M q < M χ gluino mass (GeV/c 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XII 19

21 Poszukiwanie SUSY LSP Masa LSP, czyli najlżejszej czastki supersymetrycznej (najczęściej przyjmujemy, że jest nia ) decyduje o przebiegu wszystkich rozważanych procesów. m χ (GeV/c 2 ) LEP preliminary Higgs { m 0 1 TeV/c 2 m top = 175 GeV/c 2 Charginos (large m 0 ) Higgs Sleptons } Przy dodatkowych założeniach (unifikacja mas sfermionów i gaugin przy skali GUT) można próbować wyznaczyć ograniczenia na masę nie zależne od mas innych czastek in the corridor Excluded at 95% C.L tanβ GeV (95% CL) A.F.Żarnecki Wykład XII 20

22 Poszukiwanie SUSY Higgs Ograniczenia na masę Higgsa uzyskane w ramach Modelu Standardowego można też przetłumaczyć na SUSY Korytarz, w którym SUSY jest spójna teoria zaczyna się zamykać!... Higgs musi mieć masę GeV albo go znajdziemy, albo SUSY jest wykluczone?!... A.F.Żarnecki Wykład XII 21

23 Przyszłe eksperymenty LHC Fabryka supersymetrii, w budowie. Montarz jażma magnesu detektora CMS Uruchomienie: 2007 (?) A.F.Żarnecki Wykład XII 22

24 Przyszłe eksperymenty LHC Jeśli SUSY istnieje, LHC musi ja zobaczyć. Częstość produkcji czastek supersymetrycznych: od 3 Hz dla M = 300 GeV przypadków na rok do Hz dla M = 2 TeV przypadków na rok wciaż wystarczajace do odkrycia A.F.Żarnecki Wykład XII 23

25 Przyszłe eksperymenty LHC Higgs może zostać odkryty ponad wszelka watpliwość w pełnym zakresie masy Sprawdzenie struktury sektora Higgsa (liczby czastek i ich charakterystyk) będzie niezwykle ważnym testem SUSY. Powinno pomóc w poznaniu mechanizmu łamania SUSY Przy niefortunnych wartościach parametrów SUSY możliwe, że LHC zobaczy tylko (jednego) Higgsa... A.F.Żarnecki Wykład XII 24

26 Przyszłe eksperymenty Tesla Własności Higgsa i innych czastek supersymetrycznych odkrytych w LHC będa mogły być szczegółowo zbadane w przyszłym akceleratorze liniowym TESLA. Przykład: produkcja smionów & Rozkład energii mionów z rozpadu smionów: Kształt widma spin (płaski granice widma i 0) A.F.Żarnecki Wykład XII 25

27 Mały Higgs Aby rozwiazać problem hierarchi musimy wprowadzić nowa fizykę przy skalach 1 TeV. To jednak nie musi być supersymetria. W ostatnich 2-3 latach pokazano, że kasowanie rozbieżnych poprawek do masy bozonu Higgsa można także uzyskać dodajac nowe czastki tego samego rodzaju: nowy ciężki fermion kasowanie poprawek od nowe ciężkie bozony i kasowanie poprawek od i nowe skalary kasowanie (samo)poprawek Higgsa Kasowanie uzyskujemy poprzez odpowiedni wybór sprzężeń nowych czastek. Nie rozwiazujemy problemu hierarchi do skali GUT, ale odsuwamy go do skali 10 TeV... A.F.Żarnecki Wykład XII 26

28 Wszystkie nowe czastki powinny mieć masy rzędu 1 TeV. łatwe do znalezienia w przyszłych eksperymentach Podwójnie naładowany Higgs!!! A.F.Żarnecki Wykład XII 27

29 LHC A.F.Żarnecki Wykład XII 28

30 Istnienie nowych czastek przy masie 1 2 TeV wciaż nie jest wykluczone przez precyzyjne pomiary. A.F.Żarnecki Wykład XII 29

31 Mały Higgs Little Higgs Searches with ATLAS E.Ros, EPS 2003 A.F.Żarnecki Wykład XII 30

32 Mały Higgs Podsumowanie Model małego Higgsa (Little Higgs) wywołał duże zainteresowanie. Przewiduje wiele nowych, ciekawych reakcji (innych niż w SUSY) należy ich poszukiwać nawet jeśli nie jesteśmy przekonani co do słuszności modelu Nawet jeśli nie wydaje sie tak nauralny i elegancki to przełamał monopol SUSY na rozwiazanie problemu hierarchi... Należy spodziewać się, że w następnych latach pojawia się kolejne modele... A.F.Żarnecki Wykład XII 31