Supersymetria Wykład XII Elementy fizyki czastek elementarnych Problemy Modelu Standardowego Supersymetria Widmo czastek Przewidywania Obecne wyniki Przyszłe poszukiwania
Model Standardowy Przypomnienie Czastki materii fermiony Lewoskrętne dublety (oddz. słabe) i prawoskrętne singlety. Pierwsza generacja: kwarki 3 generacje 2 (antycz astki) 3 (kolor) SU(2) Odziaływania bozony cechowania Grupa cechowania U(1) SU(3): oddziaływanie symetria nośniki elektro U(1) słabe SU(2) silne SU(3) 8 gluonów Spontaniczne łamanie symetrii Oddziaływanie z czastk a Higgsa masy bozonów cechowania czastka Higgsa masy fermionów A.F.Żarnecki Wykład XII 1
A.F.Żarnecki Wykład XII 2
( Model Standardowy Pytania i problemy Dlaczego materia fermiony a odziaływania bozony? Dlaczego 3 pokolenia kwarków i leptonów? Wszystkie obecnie dostępne dane zgodne sa z Modelem Standardowym Dlaczego zachowane sa liczby leptonowe i barionowa? Jaki jest powód spontanicznego łamania symetrii? Gdzie jest czastka Higgsa? brak spójnego opisu grawitacji dużo wolnych parametrów ręcznie dopasowywanych... ogromne różnice mas problem hierarchii ale... wyniki pomiaru wyniki pomiaru ) (NuTeV) wyniki pomiaru A.F.Żarnecki Wykład XII 3
Model Standardowy Pomiary Pomiar 80.6 80.5 direct (1σ) indirect (1σ) all (90% CL) M W [GeV] 80.4 80.3 100 200 400 800 M H [GeV] 80.2 150 160 170 180 190 200 m t [GeV] Sprzeczne wyniki różnych pomiarów... Asymetrie leptonowe 100 GeV? Pomiar bezpośredni niska masa Higgsa Kiepska zgodność z pom. pośrednim (dopasowaniem do wszystkich danych) A.F.Żarnecki Wykład XII 4
Model Standardowy Skale masowe neutrina elektron top (?) GeV GeV GeV GeV Czy Model Standardowy może pozostać aż do skali słuszny Problem z masa Higgsa: f h? h GUT pustynia GeV Poprawki zwiazane z pętlami fermionowymi rosna jak... GeV Masa Planka ( ): skala unifikacji dla grawitacji skala przy której grawitacja staje się silna Aby uzyskać 1 TeV musimy niesłychanie precyzyjnie dobrać parametry ( ) problem hierarchii A.F.Żarnecki Wykład XII 5
Supersymetria Problem hierarchii Jak ustabilizować masę Higgsa (duże poprawki )? dodać nowe oddziaływania/czastki przy skali czekamy na pomiary... obniżyć skalę do TeV dodatkowe wymiary (za tydzień) doprowadzić do automatycznego kasowania się poprawek SUPERSYMETRIA Problem rozbieżnych poprawek do masy Higgsa nie pojawia się jeśli w teorii jest tyle samo bozonów i fermionów. Poprawki od pętli bozonowych: h φ h maja przeciwny znak i kasuja rozbieżności. Pozostaja jedynie skończone wkłady proporcjonalne do różnic mas bozonów i fermionów. aby uratować czastek (bozonów) przy skalach TeV. h φ potrzebujemy nowych h A.F.Żarnecki Wykład XII 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 7
A.F.Żarnecki Wykład XII 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 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 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 1GeV) 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 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 12
Supersymetria: Puszka Pandory Sami nie wiemy co nas czeka... A.F.Żarnecki Wykład XII 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 dwuch dubletów Higgsa. sprzężenia jak w SM A.F.Żarnecki Wykład XII 14
Supersymetria Przewidywania Pełna unifikacja oddziaływań elektrosłabych i silnych (przy odpowiednim doborze mas) Słaby kat mieszania: Spontaniczne łamanie symetrii elektrosłabej pojawia się naturalnie jesli duża masa kwarku została przewidziana w ramach SUSY 20 lat temu ogromny sukces!!! najlżejszy bozon Higgsa główny cel łowców supersymetrii A.F.Żarnecki Wykład XII 15
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 16
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: 80.70 experimental errors 68% CL: 80.55 80.60 LEP2/Tevatron (today) MSSM light SUSY M W 80.525 80.5 80.475 MSSM LEP2+pp M W [GeV] 80.50 80.40 heavy SUSY 80.45 80.425 80.4 m t =179.4 GeV 80.30 M H = 113 GeV 80.375 80.35 SM 169.2 GeV 80.20 M H = 400 GeV SM Heinemeyer Weiglein 01 160 165 170 175 180 185 190 m t [GeV] 80.325 300 400 500 1000 log(m susy ) bardzo dobra zgodność... masy SUSY GeV A.F.Żarnecki Wykład XII 17
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 85-100 GeV A.F.Żarnecki Wykład XII 18
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 ) 100 90 80 70 60 50 40 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 + 30 20 LEP 1 Excluded 10 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 M(t ~ 1 ) (GeV/c2 ) Dolne ograniczenie na masę : z szerokości w LEP I A.F.Żarnecki Wykład XII 19
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 ) 400 300 200 UA1 & UA2 M q = M g D0 CDF LEP 100 wiele jetów ( + leptony ) + LEP 1 M q < M χ 0 0 200 400 600 gluino mass (GeV/c 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XII 20
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 ) 55 50 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 45 40 in the corridor Excluded at 95% C.L. 1 2 5 10 tanβ GeV (95% CL) A.F.Żarnecki Wykład XII 21
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 22
Tevatron II Uruchomiony w 2002 po gruntownej modernizacji: Przyszłe eksperymenty energia 1.96 TeV (było 1.8 TeV) świetlność choć na razie (było )... planowane do 2005 (Run IIa) w latach następnych (Run IIb) (1995-2000 2002-2003 ) modernizacja i rozbudowa obu eksperymentów (D0 i CDF) A.F.Żarnecki Wykład XII 23
Przyszłe eksperymenty Tevatron II Pierwsze wyniki Run II (D0) Poszukiwanie przypadków z produkcja dwóch jetów i duża brakujac a energia poprzeczna (uciekajace LSP): Perspektywy odkrycia Higgsa: Run 2 b Run 2 a Jesli Higgs ma masę GeV (jak sugeruje LEP) Tevatron II odkryje go po zebraniu ok. 5 (3). Brak sygnału po 10 koniec SUSY... A.F.Żarnecki Wykład XII 24
Przyszłe eksperymenty LHC Fabryka supersymetrii w budowie. Montarz jażma magnesu detektora CMS Uruchomienie: 2007 (?) A.F.Żarnecki Wykład XII 25
Przyszłe eksperymenty LHC Jeśli SUSY istnieje LHC musi ja zobaczyć. Częstość produkcji czastek supersymetrycznych: od 3Hz dla M = 300 GeV przypadków na rok do 0.0001 Hz dla M = 2 TeV przypadków na rok wciaż wystarczajace do odkrycia A.F.Żarnecki Wykład XII 26
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 27
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 28