Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII

Transkrypt

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

2 Model Standardowy Przypomnienie Czastki materii fermiony Lewoskrętne dublety (oddz. słabe) i prawoskrętne singlety. Pierwsza generacja: ( ) ( ) e u e d u R R d R ν e L L 3 generacje 2 (antyczastki) kwarki 3 (kolor) Oddziaływania bozony cechowania Grupa cechowania U(1) SU(2) SU(3): oddziaływanie symetria nośniki elektro U(1) γ słabe SU(2) W +, W, Z silne SU(3) 8 gluonów Spontaniczne łamanie symetrii masy bozonów cechowania, czastka Higgsa Oddziaływanie z czastk a Higgsa masy fermionów A.F.Żarnecki Wykład XII 1

3 A.F.Żarnecki Wykład XII 2

4 Model Standardowy Pytania i problemy Wszystkie obecnie dostępne dane zgodne sa z Modelem Standardowym ale... Dlaczego materia fermiony, oddziaływania bozony? Dlaczego 3 pokolenia kwarków i leptonów? Dlaczego zachowane sa liczby leptonowe i barionowa? Jaki jest powód spontanicznego łamania symetrii? Gdzie jest czastka Higgsa? brak spójnego opisu grawitacji co to jest ciemna materia? co to jest ciemna energia!? dużo wolnych parametrów, ręcznie dopasowywanych... ogromne różnice mas problem hierarchii A.F.Żarnecki Wykład XII 3

5 Model Standardowy Skale masowe neutrina elektron W ±, Z, h (?) top GeV 10 3 GeV GeV GeV Czy Model Standardowy może pozostać słuszny aż do skali Λ M X? Problem hierarchii - problem ze zdefiniowaniem masy Higgsa: f h h pustynia GUT M X GeV M P l GeV Masa Planka (M P l ): skala unifikacji dla grawitacji, skala przy której grawitacja staje się silna Poprawki zwiazane z pętlami fermionowymi (dominuje kwark t) rosna jak Λ 2... Aby uzyskać m h < 1 TeV musimy niesłychanie precyzyjnie dobrać parametry (δ ) Model przestaje jednak być naturalny. A.F.Żarnecki Wykład XII 4

6 Bardzo duże poprawki już dla Λ 10 TeV Prawdopodobieństwo, że przy losowym wyborze parametrów dostaniemy dobra masę bozonu Higgsa 0. A.F.Żarnecki Wykład XII 5

7 Rozszerzenia Modelu Standardowego Problem hierarchii Jak ustabilizować masę Higgsa (duże poprawki Λ 2 )? doprowadzić do automatycznego kasowania się poprawek SUPERSYMETRIA dodać nowe oddziaływania/czastki przy skali Λ Λ Wiele możliwości. Przykładowe MAŁY HIGGS NOWE SPRZEŻENIA W ± obniżyć skalę Λ do 1 TeV DODATKOWE WYMIARY A.F.Żarnecki Wykład XII 6

8 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. aby uratować m h potrzebujemy nowych czastek (bozonów) przy skalach 1 TeV. h φ h A.F.Żarnecki Wykład XII 7

9 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 1 2 : fermion (s= 1 2 ) sfermion (s=0) bozon cechowania (s=1) gaugino (s= 1 2 ) Higgs (s=0) higgsina (s= 1 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XII 8

10 A.F.Żarnecki Wykład XII 9

11 Supersymetria Widmo czastek (s)leptony spin 0 spin 1 2 spin 1 ( ẽl ν e ) ( el ν el ) (s)kwarki ẽ R ( ũl d L ũ R e R ) ( ul d L u R ) d R d R bozony i gluina g gluony g gaugina fotino γ foton γ zino Z Z wina W ± W ± Higgs(ina) h, H, A H 1, H 2 H ± H ± A.F.Żarnecki Wykład XII 10

12 Supersymetria Widmo czastek Uwagi: Tak jak w modelu Standardowym mamy 3 generacje skwarków i sleptonów indeksy L i R dla sleptonów i skwarków nie oznaczaja skrętności (spin = 0) ẽ L i ẽ R sa partnerami e L i e R 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: h lekki Higgs skalarny H ciężki Higgs skalarny A Higgs pseudoskalarny H ± 2 naładowane Higgsy 4 higgsina w SUSY: H 1, H 2, H ± A.F.Żarnecki Wykład XII 11

13 Supersymetria Widmo czastek Uwagi (cd.): w Modelu Standardowym pola B i W mieszaja się dajac γ i bozon Z. w ogólności mieszanie pól w SUSY może być inne, w mieszanie właczone sa także nowe pola Higgsa: γ, Z, H 1, H 2 χ 1, χ 2, χ 3, χ 4 neutralina W ±, H ± χ ± 1, χ± 2 chargina Gdyby supersymetria była pełna to super-czastki miałyby takie same własności (ładunek, sprzężenia, masy!) co ich standardowi partnerzy. 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 różnych mechanizmów łamania SUSY... A.F.Żarnecki Wykład XII 12

14 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: nawet minimalne rozszerzenie Modelu Standardowego MSSM - Minimal Supersymmetric Standard 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... A.F.Żarnecki Wykład XII 13

15 Supersymetria: Puszka Pandory Sami nie wiemy co nas czeka... A.F.Żarnecki Wykład XII 14

16 Supersymetria Widmo czastek Jeden z przykładowych scenariuszy rozważanych w studiach nad LHC i innymi przyszłymi akceleratorami tan β - podstawowy parametr opisujacy czastki Higgsa - stosunek wartości próżniowych (pozycji minimum potencjału) dla dwóch dubletów Higgsa. tan β 1 sprzężenia jak w SM A.F.Żarnecki Wykład XII 15

17 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 16

18 Przewidywania Supersymetria Pełna unifikacja oddziaływań elektrosłabych i silnych (przy odpowiednim doborze mas) Słaby kat mieszania: sin 2 θ W Spontaniczne łamanie symetrii elektrosłabej pojawia się naturalnie jeśli α 1 1 m t 175 GeV duża masa kwarku t została przewidziana w ramach SUSY 20 lat temu ogromny sukces!!! najlżejszy bozon Higgsa m h 135 GeV 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 17

19 Parzystość R Supersymetria W ogólnym przypadku supersymetria dopuszcza łamanie liczby leptonowej L i barionowej B. W szczególności możliwy jest rozpad protonu: + u e ~ d p u d π d d τ s Na ogół wprowadzamy dodatkowa symetrię (multiplikatywna liczbę kwantowa) zwana parzystościa R: R ( 1) 3(B L)+2S R = +1 R = 1 Postulat zachowania parzystości R ma daleko idace konsekwencje: proton stabilny czastki SUSY zawsze produkowane w parach rozpadaja się na nieparzysta liczbę czastek SUSY najlżejsza czastka supersymetryczna (LSP) stabilna zachowuje się jak ciężkie neutrino (nie oddziałuje) A.F.Żarnecki Wykład XII 18

20 Ciemna materia Supersymetria W modelach SUSY ciężkie LSP (np. neutralino) jest naturalnym kandydatem na ciemna materię. WIMP - Weakly Interacting Massive Particle (1) Zaraz po Wielkim Wybuchu ciężkie LSP jest w równowadze termodynamicznej z innymi czastkami: χ χ f f (2) Wszechświat się oziębia zaczyna przeważać anihilacja ich gęstość szybko maleje (3) Jednocześnie Wszechświat się rozszerza. Gęstość LSP staje się na tyle mała, że anihilacja przestaje efektywnie zachodzić: wymrożenie Obecna gęstość silnie zależy od przekroju czynnego na anihilację - parametrów modelu... A.F.Żarnecki Wykład XII 19

21 Poszukiwanie SUSY Pierwsze ślady? SUSY tłumaczy rozbieżności między pomiarami M W i M t a wynikami dopasowań SM: Pomiar bezpośredni M W i M t vs przewidywania SM i MSSM: Pomiar bezpośredni M W (LEP2+p p) vs przewidywania SM i MSSM: M W MSSM LEP2+pp m t =179.4 GeV SM GeV bardzo dobra zgodność... log(m susy ) masy SUSY GeV Ostatnie wyniki bezpośrednich pomiarów: wyższa wartość M t niższa wartość M W lepsza zgodność A.F.Żarnecki Wykład XII 20

22 Poszukiwanie SUSY Sleptony Mogłyby być produkowane w LEP: e + e ẽ ẽ ẽ± e± χ 1 Gdzie neutralino χ 1 jest najlżejsz a 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 χ 1 ): e + e l + l + \ p T Nie obserwujemy takich przypadków: M χ (GeV/c 2 ) s = GeV + - ẽ RẽR + µ Rµ - R + τ Rτ - R M l < M χ R Observed Expected Excluded at 95% CL (µ=-200 GeV/c 2, tanβ=1.5) ADLO M l (GeV/c 2 ) wykluczamy istnienie l o masach poniżej GeV R A.F.Żarnecki Wykład XII 21

23 $ %& (' ) *+! Poszukiwanie SUSY Stop Odwrotnie niż w SM, stop powinien być najlżejszym skwarkiem najłatwiejszy do wyprodukowania: #"e+e t t #p p t t X Jeśli ν jest LSP to dominuja rozpady: t b l + ν t b l ν Porównanie wyników z LEP i Tevatronu: M ν (GeV/c 2 ) ALO M stop < M ν + m b θ=0 o θ=56 o D0 2 leptony + 2 jety + \ p T M stop (GeV/c 2 ) Dolne ograniczenie na masę ν: z szerokości Z w LEP I A.F.Żarnecki Wykład XII 22

24 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 ADLO LEP 100 wiele jetów ( + leptony ) + \ p T LEP 1 M q < M χ gluino mass (GeV/c 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XII 23

25 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 nowe limity z Tevatronu: CDF Run II Preliminary 400 ) UA2 (GeV/c M q ~ 2 Inclusive 3 Jets Analysis -1 L=371 pb tanβ=5, µ<0 4 flavors M q ~ = M g ~ 300 UA1 CDF Run II 3-jets analysis no msugra solution 200 FNAL Run I 100 LEP m(q ~ ) < m(χ 0 ) 1 wiele jetów ( + leptony ) + \ p T M g ~ (GeV/c ) A.F.Żarnecki Wykład XII 24

26 Poszukiwanie SUSY LSP with LEP Combined Results Masa LSP, czyli najlżejszej czastki supersymetrycznej (najczęściej przyjmujemy, że jest nia χ 1 ) decyduje o przebiegu wszystkich rozważanych procesów. m χ (GeV/c 2 ) Higgs { m 0 1 TeV/c 2 m top = 178 GeV/c 2 (m top = 175 GeV/c 2 ) Charginos (large m 0 ) Przy dodatkowych założeniach (unifikacja mas sfermionów i gaugin przy skali GUT) można próbować wyznaczyć ograniczenia na masę χ 1 nie zależne od mas innych czastek Excluded at 95% C.L. Higgs Sleptons } in the corridor tanβ > 47 GeV (95% CL) m LSP A.F.Żarnecki Wykład XII 25

27 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!... tanβ 10 (b) m h -max Excluded by LEP Higgs musi mieć masę m h 135 GeV albo go znajdziemy, albo SUSY jest wykluczone?!... 1 Theoretically Inaccessible m h (GeV/c 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XII 26

28 Poszukiwanie SUSY Higgs Ograniczenia na masę Higgsa uzyskane w ramach Modelu Standardowego można też przetłumaczyć na SUSY tanβ (b) Excluded by LEP Korytarz, w którym SUSY jest spójna teoria zaczyna się zamykać! Higgs musi mieć masę m h 135 GeV albo go znajdziemy, albo SUSY jest wykluczone?!... Albo musimy rozszerzyć model!... 1 CPX Theoretically Inaccessible m H1 (GeV/c 2 ) Model z łamaniem CP w sektorze Higgsa A.F.Żarnecki Wykład XII 27

29 Poszukiwania SUSY Ciemna materia... LSP wydaje się być najlepszym kandydatem na ciemna materię msugra with tanβ = 30, A 0 = 0, µ > 0 Ωh 2 < LEP2 excluded Okazuje się jednak, że wiele scenariuszy supersymetria przewiduje znacznie większa ilość ciemnej materii we Wszechświecie! m 1/2 (GeV) LC 1000 LHC Pomiary astrofizyczne bardzo istotne ograniczenia! LC 500 Tevatron m 0 (GeV) dozwolony tylko obszar zielony! A.F.Żarnecki Wykład XII 28

30 Przyszłe eksperymenty LHC Fabryka supersymetrii, w budowie. Montaż jarzma magnesu detektora CMS Uruchomienie: 2007 (?) A.F.Żarnecki Wykład XII 29

31 Przyszłe eksperymenty LHC Jeśli SUSY istnieje, LHC musi ja zobaczyć. Częstość produkcji czastek supersymetrycznych: od 3 Hz dla M = 300 GeV > 10 7 przypadków na rok do Hz dla M = 2 TeV 10 3 przypadków na rok wciaż wystarczajace do odkrycia A.F.Żarnecki Wykład XII 30

32 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 31

33 -./ Przyszłe eksperymenty ILC Własności Higgsa i innych czastek supersymetrycznych odkrytych w LHC będa mogły być szczegółowo zbadane w przyszłym akceleratorze liniowym e + e ILC. Rozkład energii mionów z rozpadu smionów: Niektóre stany moga zostać odkryte dopiero w ILC! Przykład: produkcja smionów 01 e + e, µ 23 µ± µ± χ 1 Kształt widma spin (płaski 0) granice widma m χ i m µ A.F.Żarnecki Wykład XII 32

34 Czy odkryjemy SUSY?! A.F.Żarnecki Wykład XII 33

35 Mały Higgs Aby rozwiazać problem hierarchii musimy wprowadzić nowa fizykę przy skalach 1 TeV. To jednak nie musi być supersymetria. W ostatnich latach pokazano, że kasowanie rozbieżnych poprawek do masy bozonu Higgsa można także uzyskać dodajac nowe czastki tego samego rodzaju: nowy ciężki fermion T kasowanie poprawek od t nowe ciężkie bozony W H i Z H kasowanie poprawek od W ± i Z nowe skalary kasowanie (samo)poprawek Higgsa Kasowanie uzyskujemy poprzez odpowiedni wybór sprzężeń nowych czastek. Nie rozwiazujemy problemu hierarchii do skali GUT, ale odsuwamy go do skali 10 TeV... A.F.Żarnecki Wykład XII 34

36 Wszystkie nowe czastki powinny mieć masy rzędu 1 TeV. łatwe do znalezienia w przyszłych eksperymentach Podwójnie naładowany Higgs!!! A.F.Żarnecki Wykład XII 35

37 LHC A.F.Żarnecki Wykład XII 36

38 Mały Higgs Little Higgs Searches with ATLAS E.Ros, EPS 2003 A.F.Żarnecki Wykład XII 37

39 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 naturalny i elegancki to przełamał monopol SUSY na rozwiazanie problemu hierarchii... W następnych latach moga pojawić się kolejne modele... Ale przede wszystkim czekamy na dane z LHC! A.F.Żarnecki Wykład XII 38