Physik jenseits des
Standardmodells
1
Inhalt
Wiederholung/Probleme des
Standardmodells
 Grand Unified Theories
 Supersymmetrie
 Zusammenfassung

2
Inhalt

Wiederholung/Probleme des
Standardmodells
Fermionen
 Wechselwirkungen
 Sonstige Probleme

Grand Unified Theories
 Supersymmetrie
 Zusammenfassung

3
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen
Wiederholung: Die Fermionen
des Standardmodells
Die Leptonen
Quarks/Leptonen
 Eine Spalte enthält
eine „Generation“
 Eine Zeile enthält
Teilchen mit
ähnlichen
Eigenschaften

e-
m-
t-
ne
nm
nt
Die Quarks
uuu
ccc
ttt
ddd
sss
bbb
4
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Fermionen
Probleme: Die Fermionen
des Standardmodells
Warum stimmt die Ladung des Protons
mit der Ladung des Elektrons überein?
(direkt nachgewiesen mit einer relativen
Genauigkeit von 10-20)
 Warum gibt es 3 Generationen?

5
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen
Wiederholung:
Die WW im Standardmodell
Allgemeine Relativitätstheorie
Quantenchromodynamik
Elektroschwache Theorie
6
Probleme/Wiederholung des Standardmodells - Wechselwirkungen
Probleme:
Die WW im Standardmodell
Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist
beschränkt (Planck-Ära)
 Warum gibt es 4 Kräfte?

7
Probleme/Wiederholung des Standardmodells – Sonstige Probleme
Sonstige Probleme /
Ungelöste Fragen des SM

Mindestens 18 Parameter im Standardmodell
sind experimentell zu bestimmen
(z.B. die Massen der Fermionen und der Bosonen, die
Kopplungskonstanten der Wechselwirkungen, die CKM-Matrix,
die leptonische Mischungsmatrix)
Dunkle Materie!?
 Wo ist das Higgsboson?
 Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht
 u.a.

8
Inhalt
Wiederholung/Probleme des
Standardmodells
 Grand Unified Theories

Exkursion: Symmetriegruppen
 Die SU(5)
 Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

Supersymmetrie
 Zusammenfassung

9
Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen
Exkursion: Symmetriegruppen
des Standardmodells
 d blau 


 i 
 d grün   e 
d 


 rot 
Gluonen
 SU (3)
 d grün 


 d rot 
 d 
 blau 
 e 
n e 
i 


   e 





e   e
 e  
n 

  L
 e L
U (1)
 SU (2)


z.B. W ,W
 
 
10
Grand Unified Theories – Exkursion: Symmetriegruppen
Definition:
Grand Unified Theories
Die GUTs versuchen die starke, die
schwache und die elektromagnetische
Kraft zu vereinen
 Die Symmetriegruppe des
Standardmodells:

SU (3)  SU (2)  U (1)

Idee: Diese Symmetriegruppe ist teil
einer größeren Symmetriegruppe G
G  SU (3)  SU (2)  U (1)
11
Grand Unified Theories – Die SU(5)
Die SU(5)

Die SU(5) ist die kleinste einfache
Symmetriegruppe, die das Standardmodell
beherbergen kann:
 g   [ Z 0 ]
g
g
X
Y  d grün 



0
g
g   [ Z ]
g
X
Y  d rot 


 d 
0
g
g
g


[

Z
]
X
Y

 blau 

X
X
X
  Z 0 W   e  



0 
Y
Y
Y
W
  Z  n e  L


Die neuen X- und Y-Bosonen können Quarks
in Leptonen umwandeln und umgekehrt
12
Grand Unified Theories – Die SU(5)
Phänomenologie der SU(5):
Der Protonenzerfall
p -> e+ + p0
Lebensdauer des Protons für diesen Zerfallsmodus:
t p  510 a
15
 M X  10 GeV
32
13
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
Zur elektromagnetischen
Kopplungskonstanten
1 q1q2 1
F
2
4p0 r  r (r )
q
q' 
 r (r )
14
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
Zur starken
Kopplungskonstanten
Hier sind zwei Effekte wichtig:
 Eine Abschirmung der starken Ladung durch
virtuelle Quark-Antiquark-Paare:

Eine Verstärkung der starken Ladung durch
eine Gluonenwolke um die Quarks:
15
Grand Unified Theories – Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
Vereinheitlichung der
Kopplungskonstanten im SM
=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie nicht überein
16
Inhalt
Wiederholung/Probleme des
Standardmodells
 Grand Unified Theories
 Supersymmetrie

Überblick
 Konsequenzen
 Experimentelle Überprüfung


Zusammenfassung
17
Supersymmetrie - Überblick
Supersymmetrie
Die Supersymmetrie verknüpft Fermionen mit
Bosonen
 Sie sagt zu jedem Teilchen des
Standardmodells mit Spin j ein weiteres
Teilchen mit Spin j-1/2 voraus

18
Supersymmetrie - Überblick
Die Teilchen der SUSY


Aber: Sie ist entweder gebrochen oder keine exakte
Symmetrie der Natur
Masse der neuen Teilchen von der Größenordnung 1 TeV
19
Supersymmetrie - Konsequenzen
Die Kopplungskonstanten im
MSSM
=> Protonenzerfall stimmt mit Theorie überein
20
Supersymmetrie – Experimentelle Überprüfung
Experimentelle Überprüfung
Masse der SUSYTeilchen: O(1 TeV)
 LEPII und Tevatron:
O(100 GeV)
 LHC:
Schwerpunktsenergie
von 14 TeV

21
Inhalt
Wiederholung/Probleme des
Standardmodells
 Grand Unified Theories
 Supersymmetrie
 Zusammenfassung


Lösung der Probleme des
Standardmodells?
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Zusammenfassung I
Warum stimmt die Ladung des Protons mit
der Ladung des Elektrons überein?
Lsg.: Leptonen und Quarks befinden sich in
einem Multiplett
 Warum gibt es 3 Generationen?
Lsg.: keine
 Der Gültigkeitsbereich der Theorien ist
beschränkt (Planck-Ära)
Lsg.: Gültigkeitsbereich wird sich bei
Bestätigung der GUT und SUSY vergrößern

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Zusammenfassung II
Warum gibt es 4 Kräfte?
Lsg.: Die GUTs vereinigen 3 Kräfte
 Mindestens 18 Parameter im Standardmodell
sind experimentell zu bestimmen
Lsg.: keine, Anzahl erhöht sich zunächst
 Materie und Antimaterie-Ungleichgewicht
Lsg.: Baryonenzahl wird durch das X-Boson
verletzt
 Wo ist das Higgsboson?
Lsg.: wird vermutlich am LHC nachgewiesen 24


Physik jenseits des Standardmodells