Dodatkowe wymiary. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XI

Podobne dokumenty
Dodatkowe wymiary. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XIV

Rozszerzenia Modelu Standardowego

Dodatkowe wymiary. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII. Dodatkowe wymiary Jak dobrze znamy grawitacje Grawitacja w świecie czastek

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

LHC: program fizyczny

Wykład XIII: Rozszerzenia SM, J. Gluza

Zderzenia relatywistyczne

Bozon Higgsa oraz SUSY

Zderzenia relatywistyczne

Oddziaływania elektrosłabe

Poszukiwany: bozon Higgsa

Na tropach czastki Higgsa

Compact Muon Solenoid

Eksperyment CMS w oczekiwaniu na wiązki: plany poszukiwania Nowej Fizyki. Część 1

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Fizyka cząstek 5: Co dalej? Brakujące wątki Perspektywy Astrocząstki

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Wszechświat czastek elementarnych

Czego oczekujemy od LHC? Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Fizyka do przodu w zderzeniach proton-proton

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Oddziaływania fundamentalne

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Pomiary fizyczne. Wykład II. Wstęp do Fizyki I (B+C) Rodzaje pomiarów. Układ jednostek SI Błedy pomiarowe Modele w fizyce

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Czarne Dziury w Laboratorium?

Spis treści. Przedmowa PRZESTRZEŃ I CZAS W FIZYCE NEWTONOWSKIEJ ORAZ SZCZEGÓLNEJ TEORII. 1 Grawitacja 3. 2 Geometria jako fizyka 14

Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Wszechświat czastek elementarnych

r. akad. 2008/2009 V. Precyzyjne testy Modelu Standardowego w LEP, TeVatronie i LHC

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

Theory Polish (Poland)

Wszechświat czastek elementarnych

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Wielka Unifikacja. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XI. Co to jest ładunek?... Biegnaca stała sprzężenia i renormalizacja w QED Pomiar

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Unifikacja elektro-słaba

Elementy fizyki czastek elementarnych

Wybrane Dzialy Fizyki

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Więcej niż trzy czyli magiczny świat dodatkowych wymiarów

Jak to działa: poszukiwanie bozonu Higgsa w eksperymencie CMS. Tomasz Früboes

Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII

Salam,Weinberg (W/Z) t Hooft, Veltman 1999 (renomalizowalność( renomalizowalność)

Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII

Neutrina. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XXII:

Neutrina z supernowych. Elementy kosmologii

WYKŁAD

Kosmologia. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX. Prawo Hubbla

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

WYKŁAD Prawdopodobieństwo procesów dla bardzo dużych energii, konieczność istnienia cząstki Higgsa

Metamorfozy neutrin. Katarzyna Grzelak. Sympozjum IFD Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

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

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IV

Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Elementy fizyki czastek elementarnych

Kinematyka relatywistyczna

Mechanika. Fizyka I (B+C) Wykład I: dr hab. Aleksander Filip Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej

I. Przedmiot i metodologia fizyki

Fizyka wykład dla studentów kierunku Informatyka Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Poszukiwania bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony τ w eksperymencie CMS

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 5

Wszechświat czastek elementarnych

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXIV:

Elementy kosmologii. D. Kiełczewska, wykład 15

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

Oddziaływania grawitacyjne. Efekt Dopplera. Photon Collider. Efekt Comptona. Odkrycie fotonu. Wykład XIX: Fizyka I (B+C) Foton

Wszechświat czastek elementarnych

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

WYKŁAD Wszechświat cząstek elementarnych. 24.III.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masa W

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Boska cząstka odkryta?

10.V Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Zderzenia relatywistyczne

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Model Standardowy. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VI

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Spis treści. Fizyka wczoraj, dziś, jutro. Z naszych lekcji. Olimpiady, konkursy, zadania. Astronomia dla każdego

Podstawy Fizyki Jądrowej

Marek Kowalski

czastki elementarne Czastki elementarne

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXVII:

Cząstki elementarne i ich oddziaływania III

Wszechświat czastek elementarnych

Transkrypt:

Dodatkowe wymiary Wykład XI Dodatkowe wymiary Jak dobrze znamy grawitacje Grawitacja w świecie czastek Perspektywy Elementy fizyki czastek elementarnych

Dodatkowe wymiary Skala Plancka Problem hierarchii w Modelu Standardowym: skala unifikacji M GUT ν M W (skala łamania symetrii EW) Grawitacja: unifikacja dopiero przy skali M P l h c G N 10 19 GeV co odpowiada skali odległości R P l 10 35 m Jednak skala M P l musi być tak duża tylko przy 3 wymiarach przestrzennych! A.F.Żarnecki Wykład XI 1

Dodatkowe wymiary Jak dobrze znamy wymiar świata w którym żyjemy? Czy moga być więcej niż 3 wymiary przestrzenne?! NIE - jeśli tylko nieskończone wymiary... TAK - jeśli dopuścimy wymiary skończone! Przykład I Gdy rozpatrujemy ruch wagonika kolejki linowej przyjmujemy, że lina ma tylko jeden wymiar x: Ale dla mrówki, która idzie po tej linie jest to świat dwuwymiarowy: x R y x y jest współrzędna cykliczna. Druga współrzędna zauważamy dopiero gdy przygladamy się z rozdzielczościa < R A.F.Żarnecki Wykład XI 2

Dodatkowe wymiary Przykład II Elektron w bardzo cienkiej warstwie metalu: d λ e Jeśli długość fali elektronu λ d ruch dwuwymiarowy. Wzbudzenie w kierunku prostopadłym nie jest dostępne energetycznie. (kwantowy efekt Halla). y x Ale jeśli w tej samej warstwie metalu znajdzie się wysoko-energetyczny elektron (λ < d) d e λ z jego ruch musimy opisywać w trzech wymiarach... y x A.F.Żarnecki Wykład XI 3

Dodatkowe wymiary Grawitacja Przyjmijmy, że nasz świat jet 1 + 3 + n wymiarowy (n dodatkowych wymiarów przestrzennych). Jak będzie wtedy wygladała grawitacja? m Pole powierzchni kuli w (3 + n) r wymiarach: Takie podejście jest słuszne tylko dla r R, gdy testujemy grawitację na bardzo małych odległościach: S (3+n) r n+2 Siła grawitacyjna, z Prawa Gaussa: F G m 1m 2 M n+2 S 1 r n+2 gdzie M S jest efektywna skala Plancka w 3 + n wymiarach R m r A.F.Żarnecki Wykład XI 4

Dodatkowe wymiary Grawitacja Gdy badamy oddziaływania na dużych odległościach r R: R R Pole powierzchni walca w (3 + n) wymiarach: m S (3+n) R n r 2 Siła grawitacyjna, z Prawa Gaussa: F G m 1 m 2 1 MS n+2 R n r 2 r Na dużych odległościach widoczne sa tylko 3 wymiary odtwarzamy klasyczna grawitację Newtona... Skala unifikacji grawitacji jest teraz M S = n+2 ( M 2 P l R 2 π ) n M S może byċ nawet rzędu 1 TeV, wszystko zależy od n i R rozwiazanie problemu hierarchii A.F.Żarnecki Wykład XI 5

Unifikacja Dodatkowe wymiary Gdy skala energii przekracza 1/R ewolucja stałych sprzężenia przyspiesza : możliwa jest unifikacja wszystkich oddziaływań na dużo niższych skalach! Przyjmujac M S 1 TeV: Jakie sa ograniczenia doświadczalne? A.F.Żarnecki Wykład XI 6

Prawo Newtona Przez 20 lat zastanawiał się nad spadajacym jabłkiem... W 1687 roku przedstawił prawo powszechnego ci ażenia: F G = G N m 1 m 2 r 2 G N 6.7 10 11 m2 kg s 2 6.7 10 39 GeV 2 z zależności typu 1 r 2 wynikaja prawa Keppler a... Pierwszy pomiar w laboratorium waga skręceń Cavendish a potwierdzenie prawa Newtona Grawitacja Doświadczenie Cavendisha (1798) A.F.Żarnecki Wykład XI 7

Grawitacja Ograniczenia doświadczalne Wygodna parametryzacja odstępstw od prawa Newtona (dla potencjału grawitacyjnego) Wyniki dostępne w 1996 roku (górne ograniczenia na α) m V (r) = G 1 m 2 N (1 + αe r/λ ) r λ - skala odległości α - względne odchylenie ( łamanie ) Najdokładniej przetestowany układ: Ziemia-Księżyc Pomiary labroartoryjne: λ > 2 mm A.F.Żarnecki Wykład XI 8

Eksperyment Eöt-Wash Grawitacja (University of Washington) Nowy, bardzo precyzyjny pomiar grawitacji na małych odległościach, λ 1 mm Idea podobna do klasycznego doświadczenia Cavendisha. Duża masa obraca się ruchem jednostajnym pod wahadłem, wprowadzajac je w drgania (!) z częstościa ω dużo lepsza kontrola błędów systematycznych w porównaniu z pomiarem statycznym Membrana: dodatkowa izolacja obu części układu ω wahadlo m M membrana d A.F.Żarnecki Wykład XI 9

Grawitacja Eksperyment Eöt-Wash Rzeczywisty układ doświadczalny (z pominięciem membrany): Zamiast kul - 10 otworów w wahadle i dysku napędzajacym Średnicz wahadła 60 mm, precyzja wykonania ±2.5 µm! Grubość membrany oddzielajacej: 20 µm Pojemnościowy pomiar odległości (kondensator płaski): A.F.Żarnecki Wykład XI 10

Grawitacja Eksperyment Eöt-Wash Wyniki pomiarów: jeden cykl obrotu dysku napędzajacego Momenty sił z analizy charmonicznej: Bardzo dobra zgodność z przewidywaniami. Dla n = 2: R < 150 µm M S > 4.0 T ev (95%CL) A.F.Żarnecki Wykład XI 11

Nowe pomiary Eksperyment Eöt-Wash optymalizacja rozkładu masy w wahadle 2002 Grawitacja University of Colorado (2003) Detector Mount Transducer Probe to JFET Torsion Axis Stiff Shield Detector Source Mass PZT Bimorph Source Mount Tuning Block 2004 Poszukiwanie rezonansu wywołanego oddziaływaniami grawitacyjnymi Drgajaca płytka wolframowa (305 µm) pobudza do drgań druga płytkę (195 µm) A.F.Żarnecki Wykład XI 12

Grawitacja Zestawienie wyników Aktualne ograniczenia na parametr α (2004) Zwykłe dodatkowe wymiary α 4 A.F.Żarnecki Wykład XI 13

Grawitacja Ograniczenia astrofizyczne n = 1 wykluczone już z obserwacji Układu Słonecznego (M S 1 TeV wymaga R 10 12 m) n = 2 Bardzo silne ograniczenia astrofizyczne i kosmologiczne: emisja grawitonów przy zapadaniu się supernowych neutrin z SN1987A M S > 30 TeV, R < 0.7 µm promieniowanie γ z rozpadu grawitonów M S > 450 TeV, R < 3 nm temperatura powierzchni gwiazd neutronowych M S > 1700 TeV, R < 0.2 nm też praktycznie wykluczona n 3 Ograniczenia astrofizyczne i kosmologiczne dużo słabsze obszar zainteresowań fizyki czastek A.F.Żarnecki Wykład XI 14

Model Precyzyjne pomiary fizyki czastek wykluczaja istnienie zwykłych (otwartych dla wszystkich czastek) dodatkowych wymiarów. Musimy wprowadzić pewne modyfikacje: Model ADD Arkhani-Hamed, Dimopoulos and Dvali (1998) Czastki Modelu Standardowego żyja w 1+3 wymiarach. Dodatkowe wymiary dostępne sa tylko dla grawitonów Grawitacja dalej jest słaba ( 1 M P 2 ) l Ale w 1+3 wymiarach grawiton widoczny jest jako szereg stanów o masach: m i = i m i = 0, 1, 2... Kolejne stany wzbudzone odpowiadaja kwantyzacji pędu w dodatkowych wymiarach: ( MS )2 n m 1 R M S M P l m bardzo małe dużo dostępnych stanów wzmocnienie grawitacji ( 1 MS 2 ) A.F.Żarnecki Wykład XI 15

Grawitacja słaba, bo pole ucieka w dodatkowe wymiary... A.F.Żarnecki Wykład XI 16

Wymiana grawitonów Poszukiwania Przy skalach s M S wymiana grawitonów może być porównywalna z wymiana γ i Z. LEP: wkład do produkcji par czastek e + e f f, W + W, ZZ, γγ p p: wkład do produkcji par leptonów (proces Drell a-yan a) Dodatkowy wkład od gluonów!!! (nieobecny w SM) A.F.Żarnecki Wykład XI 17

Poszukiwania Wymiana grawitonów Przykładowe wyniki współpracy L3: Zestawienie wyników LEP przy s =207 GeV: brak odchyleń M S >1.1 1.2 TeV A.F.Żarnecki Wykład XI 18

Poszukiwania Wymiana grawitonów Nowe wyniki eksperymentów przy Tevatronie: p p e + e, γγ Dobra zgodność z SM M S > 1.2 1.3 TeV A.F.Żarnecki Wykład XI 19

Produkcja grawitonów Poszukiwania Emisja grawitonu w dodatkowe wymiary brakujaca energia i pęd (jak przy emisji ν) Rozkład energii mierzonych fotonów: Poszukiwanie w LEP: e + e γ G e + e γ Z Z ν ν A.F.Żarnecki Wykład XI 20

Poszukiwania Produkcja grawitonów Przypadki jednofotonowe: brakujaca masa (z zasad zachowania) Porównanie przekrojów czynnych dla sygnału i tła: 7.5 e + e > γg ( cosθ γ <0.9) e + e > γg ( cosθ γ <0.8) e + e > γνν ( cosθ γ <0.9) e + e > γνν ( cosθ γ <0.8) 5.0 E >10 GeV γ σ (pb) M = 2.5 TeV S 2.5 0.0 500 1000 1500 2000 E CM (GeV) Brak odchyleń M S > 1.6 T ev n = 2 Aby podnieść limity potrzebne wyższe energie!... A.F.Żarnecki Wykład XI 21

Model Model R-S Randal, Sundrum (1999) Tylko jeden dodatkowy wymiar, ale bardziej skomplikowana metryka. Grawitacja silna na równoległej ścianie, jest tłumiona (poprzez metrykę) w naszym świecie ( ścianie ) Model przewiduje dyskretne widmo (stanów wzbudzonych) grawitonów. Kolejne stany odległe sa o: m 1 T ev poszukiwanie produkcji stanów rezonansowych A.F.Żarnecki Wykład XI 22

Poszukiwania Produkcja stanów rezonansowych (R-S model) Przekrój czynny na proces Drell a-yan a w Tevatronie (oczekiwania dla m 1 = 300 GeV) M S > 0.8 TeV masa niezmiennicza l + l Obecnie wciaż zbyt małe energie musimy poczekać na LHC... A.F.Żarnecki Wykład XI 23

Perspektywy Poszukiwanie rezonansów Przekrój czynny na proces Drell a-yan a w LHC, przyjmujac m 1 = 1 TeV i 1.5 TeV (R-S model) Wymiana grawinonu daje charakterystyczny rozkład katowy (wymiana obiektu o spinie 2): masa niezmiennicza l + l z=cos θ A.F.Żarnecki Wykład XI 24

Perspektywy Oczekiwane sygnały w LHC Wirtualna wymiana grawitonów Produkcja stanów rezonansowych masa niezmiennicza l + l Zakres poszukiwań: 9 TeV 6 TeV A.F.Żarnecki Wykład XI 25

Perspektywy Produkcja czarnych dziur Gdy dostępna energia przekroczy M S możliwa staje się produkcja czarnych dziur! czarna dziura obiekt zwiazany grawitacyjnie Przekrój czynny na produkcję czarnej dziury: σ BH (s) πr 2 S s 1 n+1 i j r (s) h szybko rośnie z energia. Może być bardzo duży!!! 3-brane Promień Schwarzschielda dla masy m BH = ŝ: R S 1 M S ( ŝ M S ) 1 n+1 W LHC ( s = 14 TeV; n = 6): m BH 10 T ev fabryka czarnych dziur mbh 5 T ev A.F.Żarnecki Wykład XI 26

W USA były pomysły zamknięcia RHICu, żeby nie wyprodukował czarnej dziury! Trzeba było wszystko tłumaczyć... A.F.Żarnecki Wykład XI 27

Perspektywy Produkcja czarnych dziur Czarna dziura paruje emitujac wysokoenergetyczne czastki: 3-brane Black hole izotropowo Sygnatura: wzrost przekroju czynnego dla dużych mas zwiększona produkcja wysokoenergetycznych leptonów i fotonów ( 100 GeV) Średni czas życia czarnej dziury Część energii ucieka w dodatkowe wymiary (grawitony), ale większość powinna być widoczna. kolejny stan, którego możemy poszukiwać τ 10 29 s ale w szczególnych przypadkach możiwe też stany metastabilne... A.F.Żarnecki Wykład XI 28

Perspektywy Rozpady czarnych dziur Wśród produktów rozpadu ciężkiej czarnej dziury chętnie pojawiałby się... bozon Higgsa Przewidywane rozkłady rekonstruowanej masy par jetów z rozpadów czarnych dziur A.F.Żarnecki Wykład XI 29

Perspektywy Radion W modelu Randal-Sundrum pojawia się dodatkowa czastka: Radion Możliwości rekonstrukcji w LHC przypadków pp Φ hh b b τ + τ 2 Nev / 14 GeV/c 70 60 50 CMS, 30 fb -1 BKG+SIG BKG 2 Nev / 14 GeV/c 40 35 30 25 CMS, 30 fb -1 BKG subtracted 40 30 20 20 15 10 5 10 0 0-5 200 250 300 350 400 450 2 (GeV/c ) M τ τ bj 200 250 300 350 400 450 2 (GeV/c ) Radion ma takie same liczby kwantowe jak bozon Higgsa, może się z nim mieszać! M τ τ bj A.F.Żarnecki Wykład XI 30

Perspektywy Kosmologia Dodatkowe wymiary mogłyby także wytłumaczyć obecność ciemnej materii we Wszechświecie. 0.6 0.5 Overclosure Limit Ciemna materia mogłyby być stany czastek, czyli energia wzbudzone schowana w dodatkowych wymiarach. Ωh 2 0.4 0.3 Przewidywana gęstość ciemnej materii pochodzacej od stanów wzbudzonych fotonów, w funkcji ich masy 0.2 0.1 Ωh 2 = 0.16 ± 0.04 Porównujac z obserwacjami: m γ 800 1000 GeV 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 m KK (TeV) A.F.Żarnecki Wykład XI 31

Podsumowani Dodatkowe wymiary zostały już... opatentowane! Jeśli myślisz, że grawitacja jest słaba... prawdopodobnie spędzasz za dużo czasu w laboratorium! A.F.Żarnecki Wykład XI 32