A Standard Modellen túl

Átírás

1 A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás A Standard Modellen túl Cynolter Gábor MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport február 8. MAFIHE TISK Cynolter Gábor BSM-75p

2 Vázlat A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás 1 A Standard Modell, Higgs, Nagy Egyesített Elméletek 3 Hierarchia Probléma és Megoldásai 4 Higgs - új fizika? Cynolter Gábor BSM-75p

3 Standard Model Anyag-részecskéi Részecskének tehetetlen tömege, mν SM = 0 0,01 ev - 0,5 MeV GeV -ig de m proton = 0,938 GeV. E = mc 2 c = 1 : tömeget energiában mérjük, 1 ev egys. töltés 1V gyorsítás, kev=1000 ev, MeV=10 6 ev, GeV=10 9 ev, TeV=10 12 ev e, p(uud) kell tömeg, különben nincs H-atom, per. rendszer Mi tartja egybe ezeket? -> Kölcsönhatások

4 Elektromágnesesség + kvantummechanika Elektrodinamika kvantumelmélete: kvantumelektrodinamika,, 1948: Tomonaga, Schwinger, Feynman, (Nobel-díj: 1965) Anyagi részecskék: proton, elektron + semleges neutron,neutrínó Kölcsönhatást foton (Einstein 1905) közvetíti : Feynman-gráfok Lélegzetelállító: az el. mágneses momentuma 11 jegyes egyezés µ e = kísérleti eredmény µ e = elméleti számolás +...

5 Gyenge és erős kölcsönhatás Gyenge kcsh β-bomlás, lassú -gyenge, véges hatótáv W ±, Z nehéz mértékbozonok közvetítik Erős kölcsönhatás gyors magfizikai folyamatok hadronokban (p, n,...) kvarkok közötti kcsh gluonok közvetítik (m=0)

6 Standard Modell - sikertörténet erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatások a QED mintájára. Szimmetriák + Renormálhatóság -> egyértelmű kölcsönhatások Anyagterek - 3 generáció Kölcsönhatást közvetítik - bozonok Higgs mechanizmus beépítve 1979 Nobel díj Glashow, Salam, Weinberg, 1999 Nobel díj t Hooft és Veltman -, 1972-ben bizonyítják matematikailag értelmes, hála a Higgsnek

7 Tömeg W, Z-nek majd 50 éve megvan a magyarázat - - Peter Higgs, 1964, Cairmgorms nemzeti park, Skócia Felismerés: új részecske kell - HIGGS BOZON (1966) Sok hasonló ötlet, cikk, ezért néha nevezik Anderson-Brout-Englert-Gurlanik-Hagen-Higgs-Kibble csatolással arányos tömeg (W,Z és kvark, elektron) -elképzelni?

8 A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás Higgs Mechanizmus, a Közeg Képzeljünk el......egy termet tele fizikusokkal (sic!), amint nyugodtan beszélgetnek, ez olyan mint a tér kitöltve a Higgs részecske mezőjével... (David J. Miller és CERN) Cynolter Gábor BSM-75p

9 Higgs Mechanizmus 2, a részecskék tömege...a csoportosulás miatt egyre nehezebben mozog, azaz tömeget kap, akárcsak egy részecske, amely a Higgs mezőn halad át híres fizikus besétál, zavart kelt, ahogy halad a teremben, és minden lépésével csodálói egy kisebb csoportját vonzza maga köré...

10 Higgs Mechanizmus 3, a Higgs tömege... kis csoportosulást hoz létre, de most a kutatók között. Az analógiában ezek a csoportosulások a Higgs részecskék.... ha egy pletyka terjed el a teremben,...

11 Higgs - Miért nem üres a terem (vákuum)? Tér (mező) értéke nem nulla a vákuumban -spec. potenciál spontán szimmetriasértés, sérül (tükrözési) a minimumban Higgs gyenge kcsh-ban részt vesz tömeget ad W, Z-nek -ezért gyenge a weak force illetve kvarkoknak, elektronnak (µ,τ) m csatolás v, vákuum érték ezért rejtőzködő!

12 LHC Large Hadron Collider proton -proton ütközések 8 (7) TeV (1000*GeV=..=10 12 ev) Az LHC (CERN, Svájc) madártávlatból és a szerkezete

13 A Standard Modell Sikerei Leírja az összes nagyenergiás kísérletet, m-ig (O(200) GeV-ig) 1984 kísérleti igazolásért (W, Z) Nobel díj: Carlo Rubbia és Simon van der Meer. Az összes részecskét direkt megfigyeltük, (LEP CERN, Tevatron Fermilab). Talán a HIGGS BOZONT is. Measurement Fit O meas O fit /σ meas α had (m Z ) (5) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± l R ± l A fb 0,l ± A (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± l A c ± A (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ±

14 A Standard Modell - egyszerű?

15 A Standard Modell - egyszerű, vagy mégsem? L SM = 1 4g 2 B µνb µν 1 2g 2 Tr(W µνw µν ) 1 2gs 2 Tr(G µν G µν ) + Q i i DQ i + L i i DL i + ū i i Du i + d i i Dd i + ē i i De i +(Yu ij Q i u j H + Y ij Q d i d j H + Y ij l L i e j H + h.c.) +(D µ H) (D µ H) λ(h H) 2 m 2 H H + θ 32π 2 ε µνρσ Tr(G µν G ρσ ). (1)

16 A Standard Modell - egyszerű, vagy mégsem? L SM = 1 4g 2 B µνb µν 1 2g 2 Tr(W µνw µν ) 1 2gs 2 Tr(G µν G µν ) + Q i i DQ i + L i i DL i + ū i i Du i + d i i Dd i + ē i i De i +(Yu ij Q i u j H + Y ij Q d i d j H + Y ij l L i e j H + h.c.) +(D µ H) (D µ H) λ(h H) 2 m 2 H H + θ 32π 2 ε µνρσ Tr(G µν G ρσ ). (1)

17 SM + Spontán sértett SU C (3) SU L (2) U Y (1) mértékelmélet (Renormálható dim 4 tagok) Kvantum=hurok korrekciók szintjén működik (m dir top=m indirekt top ) Megmaradó töltések (véletlen) B-barionszám Q e +iα/3 Q ū e iα/3 ū d e iα/3 d L f - 3 külön leptonszám, m ν = 0 esetén L f e +iα L f ē f e iα ē f B,L megmarad perturbációszámításban B-L nem perturbatívan (korai Univerzum, EW fázisátmenet - szfaleron) BSM (SM túl) B,L általában sérül

18 SM korlátai - Spontán sértett SU C (3) SU L (2) U Y (1) mértékelmélet nem egyszerű csoport, direkt szorzat, 3 csat-i áll. Nem fundamentális elm., U Y (1) nem aszimptotikusan szabad g Landau pólus! g = 0 g 0 β ln( m) Λ hc Gravitáció nincs benne, M Planck = G GeV -kvantumgrav. SM önkényes paraméterek, ábrázolások, finom hangolás Nem értjük: anyag ábrázolások (multiplettek), miért 3 család, MFV Töltés kvantálás q e = q proton = 3 q d Miért van véletlen B,L szimmetria, anomáliamentesség? Miért csak L balkezes q,l áramok? Tömegspektrum ν f u,d,..q W ±, Z, t Sok paraméter:19 g,g,g s M Z,M H 3m l +6m q CKM θ i,δ θ QCD m ν +CKM (Maj.)

19 A SM Kísérleti Problémái 90-es évek végétől a kísérleti evidenciák sokasodnak Nem-barionikus sötét anyag Sötét energia ( kozmológiai konstans) Neutrínóknak tömege van (oszcillációból: Nap, atmoszferikus, reaktor) Nem ad magyarázatot az univerzum barion asszimetriájára (Fodor Z., Csikor F. és Katz S.) η = n B n B n γ kezdeti feltételként kimosódna, Sakharov feltételek dinamikai generáláshoz: C, CP sértés, nem egyensúly. Valamilyen új fizikának kell lenni a SM-en túl, ezt még nem értük el a gyorsítókban.

20 A SM megengedett Higgs Λ érvényességi tartománya V (H) = λh 4 + m 2 H H2 potenciálra korlátok λ(e) 0, és ne legyen fals EW vákuum ábra Trócsányi Zoltántól Just so Standard Modell, nem esztétikus, de pl. antropikus elv szólhat mellette.

21 Vázlat A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás 1 A Standard Modell, Higgs, Nagy Egyesített Elméletek 3 Hierarchia Probléma és Megoldásai 4 Higgs - új fizika? Cynolter Gábor BSM-75p

22 Észrevétel: mért csatolási állandók futása 0.10 Standard Modell GUT α 3 α i 0.05 α 2 α 1 * t=log(q/m Z )/2π Közel találkoznak GeV-en - közös eredet? Felette egy g GUT csatolási állandó csökken, aszimptotikusan szabad (AF)

23 Nagy Egyesített Elméletek, (GUT=NEE) Idea 3 csatolási állandóból egy g GUT nagy egyesítési energián, SU C (3) SU L (2) U Y (1) direkt szorzat csoport helyett 1 egyszerű csoport 1 ábrázolásban a részecskék egyszerű öszefüggések, tömegekre, töltésekre G G SM = SU C (3) SU L (2) U Y (1) SM csoport rangja (egyszerre felcserélhető op-k száma) rang G. Új szimmetriák (generátorok) és vektorbozonok, nem látjuk ezeket, mert nehezek. 1. egyesítés Newton: égi -, Földi mechanika 2. egyesítés a XIX. században: Maxwell elektromos és mágneses 3. egyesítés elektrogyenge

24 Prototípus:Georgi-Glashow SU(5) Hierarchikus szimmetriasértések G M GUT G SM M W SU C (3) U em (1) Egy családban 15 részecske SU C (3) SU L (2) kvantumszámok, ũ L = ū C R (u,d) (e,ν) ũ d e + (3,2) (1,2) (3,1) (3,1) (1,1) d 1 d 2 d 3 e + ν C e 0 u C 3 u C 2 u 1 d 1 0 u C 1 u 2 d 2 0 u 3 d 3 0 e + Fermionok 5és 10 = 5 5 antiszim. ábrázolást kitöltik } 15 db 0 L

25 GUT jó hír - rossz hír. Töltéskvantálás Ábrázolásból tudjuk (SU(N) generátorok spúrja 0), hogy 5: TrQ em = 3Q d,3 + Q e + = 0 azaz Q d,3 = 1 3 Q e + OK! 10: szorzatábrázolás generátora, rendben. Tömegrelációk Egy multiplettben M GUT felett m d = m e, m s = m µ, m b = m τ Kis energián 10 GeV m b /m τ 3 OK de m d kvark /m el. = kísérlet nem magyarázható. 3 családra 3-szor ismételt multiplett - nem értettük meg a családszerkezet. Szimmetriasértést új Higgs skalárok generálják (24 illetve 5 komponensű).

26 Protonbomlás SU(5) eredetileg 24 mértékbozon = 8 gluon +3 SU(2) +1x U(1) marad 12 M GUT tömegű új vektorbozon (X,Y ), kvark és lepton átmenet ábr-on belül. gluonok X / Y Y W i W i X W i. X,Y B X,Y = 1 3, 2 3 (X, Y ) mértékbozonok -leptokvarkok cseréje kvark -lepton átmenetetre vezethet p e + π 0, α GUT = g 2 GUT 4π τ proton = 1 MX 4 αgut 2 mp 5 leptokvarkok de (B L) megmarad! ev, M X GeV Kísérletek ma már τ proton ( )év -> túl gyors protonbomlást jósol! Legegyszerűbb SU(5) elvetve, SO(10) életképesebb, m ν is

27 GUT csatolási állandók futása 0.10 Standard Modell GUT α i = gi 2/4π ( ) 1 α i (Q 2 ) = 1 α i (µ 2 ) + b i 2π ln Q 2 µ 2 bi SM = ( 41 10, 19 6, 7) b 4 3 = 3 N f 11 < 0 b 2 = 3 4 N f 43 6 < 0 b 1 = 4 3 N f > 0 1-hurok jó! sin 2 θ W (M GUT ) 3 8 sin 2 θ W (M Z ) 0.21 De 2-hurok: már kís. hibán kivül. α i 0.05 α 2 α 1 * α t=log(q/m Z )/2π M GUT GeV.

28 Vázlat A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás 1 A Standard Modell, Higgs, Nagy Egyesített Elméletek 3 Hierarchia Probléma és Megoldásai 4 Higgs - új fizika? Cynolter Gábor BSM-75p

29 Hierarchia probléma Hierarchia: 2 távoli skála M EW 100 GeV M GUT, vagy M Planck Hierarchia probléma: elemi skalár tömegét kvantumkorrekciók meg akarják növelni. V (H) = λh 4 + m 2 H H2, v 2 = m 2 /2λ = (250 GeV ) 2 Korrekciók Higgs tömeghez ( Λ = 10 TeV ): fermion: δmh 2 3 λ 2 8π 2 t Λ 2 (2 TeV ) 2 *100 mértékbozon δmh 2 g 2 Λ 2 (700 GeV ) 2 10 skalár (H) δmh 2 3λ Λ 2 (500 GeV ) π 2 M 2 H = m2 H,tree + δm2 H,f + δm2 H,m + δm2 H,s M H = 126GeV ( GeV) m 2 H,tree finomhangolása minden rendben M GUT vagy M Planck levágással jegyre kell beállítani!

30 Kiejtést elekerülni: klassz. ED nem érvényes tovább, mint ( e 2 4πε 0 m e c 2 ) cm. Megoldás: kvantummechanika + antirészecske (e + ). Hierarchia probléma gyalogosoknak Klasszikus elektrodinamika (ED), e, E, B írja le és E Coulomb = 1 e 2 4π r e r e az elektron mérete, végtelen Coulomb sajátenergia levágásával vezetjük be. Minden e -ra van, ez e nyugalmi energiájának a része (m e c 2 ) megfigyelt = (m e c 2 ) csupasz + E Coulomb De! Kísérletekben r e cm (nem látunk szerkezetet eddig) E 10GeV m e c 2 = 0.511MeV. Kiejtés: finom hangolás eredménye lehet negatív csupasz tömeggel GeV = ( ) GeV

31

32

33 Hierarchia probléma megoldási lehetőségei A részecskefizika változtatása kis távon nagy energián a Higgs összetett, szerkezete van (Anderson szilárdtestfizika) 1-3 TeV-ig érvényes Szuperszimmetria új szimmetriák, legnépszerűbb (Bozon-Fermion, 0 kísérlet) Globális szimmetriák: Higgs pszeudo GB (Kis Higgs) F-F és B-B kiejtések.

34 Dinamikai szimmetrisértés Higgs összetett részecske! Nem perturbatív- nehéz, nem biztos számolások - rács térelmélet? QCD királis szimmetrisértése a minta fl f R 0 0 f Királis ábrázolás L SU L (2)dublett f R SU L (2)szinglet = SU L(2) sértés Nagy M Z,W tömeghez új mértékkölcsönhatás kell : TECHNICOLOR 3000* felskálázott QCD, technifemionok: ( ) Ψ1 Ψ L =, Ψ R Ψ L Ψ R 0 0 Ψ 2

35 Technicolor technipionok: felskálázott QCD pionok+ vektormezonok (a, ρ) (W,Z tömeget összetett GB adják) teschniskalárok: Higgs(ek) erős kölcsönhatás TeV skálán! Fermiontömeg gond: nincs direkt Ψ q SM csatolás, = újabb kcsh-k kellenek kiterjesztett modell ETC, qq ΨΨ/Λ 4 ETC, top Λ kicsi FCNC, ízváltó semleges áram, kísérletben elnyomva Λ nagy. LEPI-II mérések indirekt sugárzási korrekciók kizárják végleg a legegyszerűbb, QCD mintájú TC-ket. Módosítások: QCD-től eltérő dinamika, lassan változó csat. Walking TC. Extra globális szimmetria, mint (m π m proton ) kis Higgs elméletek, Higgs= pszuedo goldstone bozon Legnagyobb gond a jó, megbízható nem perturbatív számolási módszer hiánya.

36 Szuperszimmetria és Hierarchia SUSY motiváció: r H cm alatt is érvényes. Pozitron analóg: új szimmetriával duplázzuk a szabadsági fokokat Minden részecskéhez azonos tömegű és csatolású pár B F F B Q α femionikus operátor írja le, α spinor index. top stop s=0 (m t), párja rendbehozza a Higgs sajátenergiát m 2 stop = +6 h2 t 4π 2 1 r 2 H Λ 2 ( mstop 2 + mstop 2 = 6 h2 ( t m 2 4π 2 t m 2 t ) log 1 r 2 H m2 t m 2 m 2 tree könnyű stop m t = 1-2 TeV.(Higgs miatt 400 GeV) )

37 SUSY 2 Királis multiplettek: Vektor multiplettek: kvark szkvark (skalár, s=0) lepton szleptonok (skalár, s=0) gauge bozonok gaugínók (fermion, s=1/2) Gond: új 5 dim. op. írja le a proton bomlást τ p m4 s s mp 5 R-paritás globális szimmetriával megtiltható { R = ( 1) 3B+L+2s uj reszecske 1 = standard resz. + 1 R-paritással B és L sértő kölcsönhatások eltávolítva. Ált. renormálható mértékszimmetrikus Lagrangianban B, L invariáns LSP - legkönnyebb(l) szuperszimmetrikus (S) részecske (P) stabil, ha semleges ideális sötét anyag jelölt (neutralínó, gravitínó,..). WIMP miracle GeV tömeg, weak csatolás -> jó sötét anyag

38 Vázlat A Standard Modell, Higgs, + - Nagy Egyesített Elméletek Hierarchia Probléma és Megoldásai Higgs - új fizika? Összefoglalás 1 A Standard Modell, Higgs, Nagy Egyesített Elméletek 3 Hierarchia Probléma és Megoldásai 4 Higgs - új fizika? Cynolter Gábor BSM-75p

39 Higgs - ablak új fizikára Higgs keltés, új virtuális részecskék csatolás: q,g és Higgs, m q4 > 400 GeV SM3 és SM4 illesztése összes folyamathoz., SM 4 családdal 5.3 σ-val kizárva. PRL109, ( 12)

40 Összetett, erősen kölcsönható Higgs általánosan tulajdonságait J PC A SM Higgs az új részecske? mérni csatolásait BSM következmények Higgs-szerű skalárt paraméterezzük L-ben SM a=b=c=1 d 3 = d 4 = 1 c V = c Ψ = 1 Összes rész.fizikai folyamat számolható

41 Összetett Higgs 2 2 paraméter, F, VB csatolás skálázása SM -OK, fermionfób (c f = 0) kizárva, SM szimmmetriák tesztelhetők c f = 1 még életben (H γγ) pozitív interferencia, W, top hurkok

42 Higgs - van új fizika? V eff (H) = λh 4 + m 2 H H2 + V L SM - λ(q 2 ) fut (változik), 1-, 2-hurok+küszöb dλ = 1 β SM d lnq 2 16π 2 λ, ahol Degrassi et al

43 Stabilitás + Trivialitás 2012 Instabilitás - fals minimum nagy H -re. Metastabil: átmenet exp( 1/λ) τ UNIVERZUM -nál lassabb

44 Összefoglalás, kitekintés Standard Modell leírja a kísérleteket Új bozon az LHC-n, SM M H 126 GeV M H = GeV Ellenőrzés, tiszta kísérletben LC = Linear Collider 500 GeV Van-e új fizika, mit keresünk, várunk? Esztétikus- egyszerű elveket! Gravitációval közös konzisztens elmélet - húrelmélet?

45 Ajánlott Irodalom Leon Lederman: Az isteni a-tom Mi kérdés, ha a válasz a Világegyetem Typotex 1995 Harald Fritsch: Kvarkok, Gondolat (1987) Brian Greene: Az elegáns Univerzum (húrelméletről) Természet Világa Mikrovilág különszám 1 (2000), 2 (2013) Az atomoktól csillagokig előadásai ( Katz Sándor: Az elemi részek fizikája és az anyag... (2010) Veres Gábor: Milyen eszközökkel figyelhetők meg... (2007) Bajnok Zoltán (2009), Varga Dezső (2010)...

46 Nobel-díj 20xx? 2010 Sakurai díj megosztva Peter Higgs Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ( ) De Nobel 2008: Spontán szimmetriasértés részecskefizikában Nambu, Kobayashi és Maskawa

47 Elméleti Problémák -Hierarchia Probléma Legtöbb probléma a tömeget adó HIGGS skalár részecskével Egyetlen tömeges paraméter v = 254 GeV 254 M proton HIERARCHIA PROBLÉMA: Miért sokkal gyengébb a gravitáció az elektrogyenge kölcsönhatásnál? (ha a kvantumkorrekciók összehúzzák őket) alapvető elméletnek meg kell magyaráznia v SM = 254 GeV M PLANCK GeV

48 A SM Higgs keresés Elmélet: Ritka folyamatok Nagy háttér. Szimulációk

49 Kvantumgravitáció LHC-n, Fekete Lyukak ADD -> LHC-n Kvantumgravitáció, fekete lyuk! BH (Fekete Lyuk) kialakul, ha elegendő tömeg a horizonton belül Föld 6000 km 8 mm BH kialakul, ha ütközésnél b < r H ( s) M BH s ütközés energiája LHC ütközésszámmal 10 7 BH/ év keletkezhet. Sok fekete lyuk, mert csak kis b kell Nem stabilak, nem nyelnek el mindent, nem válnak kis gömböccé!

50 Fekete Lyuk Bomlás Hawking Sugárzással Hawking: fekete lyuk hőmérséklete T 1/M, ( ) hc 3 8πkG N 1 M Stefan-Boltzman törvény, sugároz σt 4 1/M 4 Kvantummechanikai folyamat egyformán kelt minden részecskét, LHC ATLAS jóslat: tűzijáték