kwarki i leptony Wielki Wybuch

Fizyka cząstek elementarnych
i oddziaływań podstawowych
Wykład 14
Poza model standardowy
Jerzy Kraśkiewicz
Oscylacje neutrin
W minimalnym MS neutrina są bezmasowe.
Obecnie wykryto, Ŝe neutrina mają masę!
Oscylacje pomiędzy zapachami neutrin
(e.g. νe ↔ νµ ) wystąpią, jeśli
1) róŜne zapachy neutrin mają róŜną masę
2) słabe oddziaływania nie są diagonalne
w bazie masy (jak dla kwarków)
2-zapachowe prawdopodobieństwo przejścia:
Kąt mieszania
RóŜnica mas
[eV]
2
∆m
L
2
2
→
=
P(νµ
νe ;L) sin 2θ sin ( 1.27
)
E
Długość drogi
[km]
Energia [GeV]
Neutrino
Sytuacja eksperymentalna :
Słoneczne ν:
Zmiana zapachu z νe na νµ lub ντ
Atmosferyczne ν: Znikanie νµ najprawdopododobniej na ντ
Interpretacja danych w ramach MS:
∆m2 jest rzędu 10-4 - 10-3 eV2
(ale nie daje nam masy)
kąty mieszania są większe niŜ w sektorze kwarkowym
Program dla eksperymentów :
Wiele eksperymentów ustawionych na obserwację ν
słonecznych, atmosferycznych, kosmicznych, z Super Nowej
Długo zasięgowe eksperymenty ⇒ ziemskie oscylacje ν
”Fabryki neutrin”
Polepszenie pomiaru masy neutrina
Otwarte pytania
Model Standardowy
Skąd pochodzi masa cząstek?
Czy istnieje cząstka Higgsa?
Dlaczego występują tylko 3 generacje?
Jaką masę mają neutrina i dlaczego tak małą?
Jaka jest natura łamania symetrii CP?
Czy swobodny proton moŜe się rozpaść?
Czy cząstki fundamentalne mają strukturę?
Wielka unifikacja
Czy siły unifikują się i przy jakiej energii?
Dlaczego grawitacja jest tak odmienna?
Czy grawitację moŜna połączyć z pozostałymi siłami?
Czy istnieją nowe siły?
Otwarte pytania
Nowe symetrie i struktura czasoprzestrzeni
Czy istnieje w przyrodzie supersymetria
bozony-fermiony?
Czy istnieją dodatkowe wymiary?
supergrawitacja, struny?
Jaka jest kwantowa teoria grawitacja?
Otwarte pytania
Dla r < R, grawitacja spełnia prawo Newtona w 4 + δ wymiarach:
GS
V (r) = δ +1
r
Jeśli np. R ~ O(100 µm) and δ = 2
⇒ Grawitacja mogłaby być widoczna w zderzeniach o energii rzędu TeV!
Otwarte pytania
Czy MS jest ostateczną teorią?
• mechanizm Higgsa jest najsłabszą częścią MS:
-- mechanizm “ad hoc”
-- problem dopasowania poprawek radiacyjnych
H
H
Jeśli chcemy, aby teoria obowiązywała aŜ do 1015 GeV, wtedy musimy
mieć gigantyczne kasowania między poprawkami do masy wyŜszych
rzędów oraz masą najniŜszego rzędu w celu uzyskania masy cząstki
Higgsa nie większej od 1 TeV
Symetria SU(5)
Grupy U(1), SU(2) i SU(3) są podgrupami ogólniejszej grupy SU(5)
1974 – Georgi, Glashow
Podstawowe reprezentacje 5 i 10 zawierają zarówno leptony i kwarki
jednej generacji
ν e 
 −
e 
d 
 r
 db 
d 
 g
 0
 +
−e
−d
 r
 − db

 − dg
e+
0
− ur
dr
ur
0
db
ub
ug
− ub
− ug
− ug
− ub
0
− ur
dg 

ug 
ub 
ur 

0
Symetria SU(5)
24 bozony cechowania:
foton, W+, W-, Z0, 8 gluonów
6 leptokwarków
Q=−
1
3
(Yr, Yb, Yg)
4
(Xr, Xb, Xg)
3
6 antyleptokwarków
Q=−
Leptokwarki zamieniają leptony w kwarki i vice versa
Rozpad protonu w SU(5)
Leptokwarki nie zachowują liczby leptonowej L, ale zachowują L-B
Mogą zajść procesy rozpadu:
e+
u
p → e +π
+
X
0
d
d
u
d
u
Y
p →ν e + π +
νe
d
u
d
u
SU(5) przewiduje czas Ŝycia
τ = 1030±1 lat
Eksperyment (Super Kamiokande) ogranicza:
τ > 5.4 ⋅1033 lat
Model SU(5) wykluczony!
Supersymetria
SUSY
KaŜdy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego
KaŜdy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego
Cząstki i ich superpartnerzy mają takie same masy i stałe sprzęŜenia
Masy cząstek SUSY > 100 GeV
Dotychczas nie znaleziono supersymetrycznych partnerów zwykłych
cząstek
Nowa multiplikatywna, zachowana liczba kwantowa R
R(cząstka) = +1,
R(supercząstka) = –1
wniosek 1 – produkcja supercząstek tylko parami
~
~
a + b→ a+ b
R = (+1) ⋅ (+1) = (−1) ⋅ (−1)
wniosek 2 – najlŜejsza cząstka SUSY (LSP) powinna być stabilna
Supersymetria
Grawitacja
Grawitacja
Grawiton
Wielka Unifikacja
spin=2
Grawitono
Wielka Unifikacja
spin=3/2
Silne
Kwark
Silne
Gluon
1/2
Gluino
1
1/2
Elektrosłabe
W, Z
Higgs
Lepton
1/2
1
0
Super Elektrosłabe
Foton
1
Skwark
Fotino
1/2
Wino
Zino
Higgsino
1/2
Slepton
0
Supersymetria
Hipotezy:
LSP jest kandydatem na cząstki Ciemnej Materii
LSP powstały w trakcie Wielkiego Wybuchu i wypełniają
współczesny Wszechświat
LSP oddziałują tylko grawitacyjnie (brak oznak w innych
oddziaływaniach)
Kandydatem na LSP są: grawitino i neutralino (superpozycja
fotina, zina i higgsina)
MSSM
Najpopularniejszym modelem z sypersymetrią jest
Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy
BieŜące stałe sprzęŜenia
SM
MSSM
Energia [GeV]
Brak unifikacji przy duŜych
energiach – brak zbiegania się
do punktu
Energia [GeV]
Stałe sprzęŜenia zbiegają się w skali
GUT (teoria wielkiej unifikacji)
Unifikacja sił
Elektryczność
Elektromagnetyzm
Maxwell
Oddziaływania
elektrosłabe
Magnetyzm
Model
Standardowy
Weinberg
Siły jądrowe słabe
Fermi
Siły jądrowe silne
Rutheford
EW
Wielka
unifikacja
SUSY
QCD
Yukawa
Super
struny?
Galileusz
Ziemska
Newton
Grawitacja
Einstain
Niebieska
Kepler
Grawitacja
kwantowa?