Τι ελπίζουµε να δούµε στον Μεγάλο Αδρονικό Συγκρουστή (LHC) Γ.Ι. Γούναρης, Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Μάρτιος 2008
Ένα σηµαντικό κοµµάτι του Σύµπαντος...
Ένα σηµαντικό κοµµάτι του Σύµπαντος... Μόνον 4% της ενεργείας του Σύµπαντος προέρχεται από γνωστή ύλη. Το 22% προέρχεται από Σκοτεινή Ύλη αποτελούµενη από ουδέτερα, ασθενώς αλληλεπιδρώντα αγνώστου είδους σωµάτια. Το υπόλοιπο 74% είναι ενέργεια προερχόµενη από άγνωστα πεδία, που ίσως µοιάζουν µε το πεδίο Higgs. Ø Σκοτεινή Ενέργεια.
Σχεδιάγραµµα Γιατί πιστεύουµε ότι η Σκοτεινή Ύλη (ΣΥ) είναι τόσο πολλή. Σύντοµη περιγραφή του προτύπου µοντέλου SM. Η συνήθης ύλη και οι επ αυτής δυνάµεις χαρακτηρίζονται από συµµετρίες, κβάντα και αξιοσηµείωτες τριαδικές δοµές. Όλα τα προβλεπόµενα στο SM σωµάτια έχουν ήδη ανακαλυφθεί, εκτός από το Higgs! Γιατί τόση σηµασία στο σωµάτιο (σωµάτια) Higgs? Ti µας σαγηνεύει στην Υπερσυµµετρία. Απαλύνει τους απειρισµούς του SM στις µικρές αποστάσεις. Βοηθά στην Μεγάλη Ενοποίηση. Περιέχει σωµάτια υποψήφια για την ΣΥ. Στον LHC ελπίζουµε να µελετήσουµε την ΣΥ και τα συνοδεύοντα αυτήν σωµάτια. Ελπίζουµε να δούµε το (τα) Higgs.
V περιστροφης = GN M R εν υπάρχουν σηµαντικές ποσότητες ΣΥ στο ηλιακό µας σύστηµα. Η ΣΥ συγκεντρώνεται γύρω από την αλώ των γαλαξιών και εκτείνεται σε τεράστιες αποστάσεις. Είναι ~5.5 φορές περισσότερη της συνήθους ύλης L=3 10 6 ly L=17 10 6 ly
V περιστροφης = = GGN MN M( R) R εν υπάρχουν σηµαντικές ποσότητες ΣΥ στο ηλιακό µας σύστηµα. Η ΣΥ συγκεντρώνεται γύρω από την αλώ των γαλαξιών και εκτείνεται σε τεράστιες αποστάσεις. Είναι ~5.5 φορές περισσότερη της συνήθους ύλης L=3 10 6 ly L=17 10 6 ly
1Ε 0657-56 Bullet cluster:: ύο σµήνη γαλαξιών, σε απόσταση Dº 3.4 Gly, συγκρούσθηκαν 150 Mly νωρίτερα. Σπανιότατη περίπτωση όπου τα κέντρα µάζης της συνήθους και της ΣΥ δεν συµπίπτουν, (Αύγουστος 2006). Οπτικό: Χιλιάδες γαλαξίες Ατιν. Χ: Θερµά αέρια T~10 8 K Σκωτ. Ύλη : βαρυτικά είδωλα Ένας γαλαξίας σαν τον δικό µας
Οι επόµενες 6 εικόνες δίδουν µια περίληψη των δυνάµεων και της ύλης στο πρότυπο µοντέλο (SM), και την ελαχίστη υπερσυµµετρική του επέκταση (MSSM). Πρωταρχικό ρόλο έχει η ιδέα της συµµετρίας: Ότι υπάρχουν δηλ. άπειροι ισοδύναµοι τρόποι να διαλέξουµε την µαθηµατική περιγραφή ενός φυσικού συστήµατος. Και οι τρόποι αυτοί οργανώνονται σε οµάδες, των οποίων η δράση µπορεί να µεταβάλλεται µε τον τόπο και τον χρόνο. Η ιδέα αυτή της τοπικότητας ξεκίνησε από την Γενική Σχετικότητα, επεκτάθηκε στις σύγχρονες θεωρίες βαθµίδος για τις δυνάµεις και την ύλη, και έφτασε στο ότι ένα στοιχειώδες σωµάτιο δεν µπορεί ποτέ να υπάρχει µόνον του, αλλά πάντα µαζί µε τα υπερσυµµετρικά του αδέλφια.
SM: Τα κβάντα των δυνάµεων και της ύλης και οι τριάδες τους «Γνωστά» σωµάτια γ Hu Τα κβάντα των τριών βασικών δυνάµεων είναι τα γ, g, Z, W ±. H u H d G Συµµετρία= ύπαρξη πολλών ισοδυνάµων τρόπων µαθηµατικής περιγραφής των φυσικών νόµων. Οι τρόποι αυτοί οργανώνονται σε οµάδες. Ηδοµή των δυνάµεων αυτών d χαρακτηρίζεται από την συµµετρία U(1) SU(2) SU(3), που είναι γινόµενο τριών απλών οµάδων. Και όλων οι δράσεις µεταβάλλονται τοπικά, µέσα σ έναν χώρο µε τρεις γεωµετρικές διαστάσεις, και µια Φύση µε τρία βασικά φυσικά µεγέθη H G ~ Τα κβάντα της ύλης, τα κουάρκς και τα λεπτόνια, εµφανίζονται κατά τριάδες! Και το κάθε κουάρκ κυκλοφορεί σε τρία «χρώµατα», εξ αιτίας του SU(3).
Η Υπερσυµµετρία απαλύνει τους απειρισµούς του SM στις µικρές αποστάσεις «Γνωστά» σωµάτια Υπερσυµµετρικά τους αδέλφια γ Hu u L, R L, R c, t L R H u H d d L, R L, R s b L, R H d G e L, R L, R µ, τ L R G ~ Σε κάθε «γνωστό» αντιστοιχεί ένα ή δυο «υπερσυµµετρικά τους αδέλφια», µε πανοµοιότυπα φορτία, «χρώµα», ισοσπίν. ιαφέρουν µόνον στο σπιν, και στη µάζα. Έτσι και τα υπερσυµµετρικά αδέλφια των σωµατιδίων οργανώνονται κατά τριάδες. Οι τριάδες των σκουάρκ και των σλεπτονίων προβλέπονται διπλές : Left και Right. Μόνον τα «γνωστά» έχουν βρεθεί, (εκτός από τα Higgs).
Τι είναι το πεδίο Higgs ; Τι είναι το σωµάτιο Higgs ; Η βασική υπόθεση είναι ότι αλληλεπίδραση ενός µη µηδενικού του πεδίου Higgs µε τα άλλα σωµάτια αυξάνει την ενέργεια τους, και δυσκολεύει την κίνησή τους. ίδει δηλαδή στα σωµάτια µάζα. Στη αρχή της ηµιουργίας, όταν ktp200gev, όλα τα πεδία Higgs ήταν µηδενικά. εν υπήρχε τότε δυσκολία, ούτε µάζα. Η µάζα εµφανίσθηκε όταν η θερµοκρασία έπεσε στα ktº174 GeV, και µια αλλαγή φάσεως στο Σύµπαν προκάλεσε µη µηδενικά πεδία Higgs. Οι κβαντικές διεγέρσεις του πεδίου Higgs είναι το σωµάτιο Higgs H Υπερσυµµετρία προβλέπει Ø m h d 140 GeV, < H > 174GeV mt mw mz mh
Το όνειρο της Μεγάλης Ενοποίησης Αν M SUSY d 1 TeV, τότε οι εντάσεις των τριών δυνάµεων πολύ κοντά στην πηγή τους, παίρνουν πανοµοιότυπες τιµές. Οι τρεις δυνάµεις γίνονται µία! Σε αποστάσεις ~ 2 10-30 cm, όχι µόνον οι εντάσεις των τριών δυνάµεων, αλλά ίσως και οι «µάζες» των υπερσυµµετρικών σωµατιδίων λαµβάνουν κοινές τιµές. Q~1/d : Qº10 16 GeV dº 2 10-30 cm Και ο λόγος m w /m z προβλέπεται σωστά από την ΜΕ.
ΗΥπερσυµµετρία περιέχει υποψηφίους για την ΣΥ «Γνωστά» σωµάτια Υπερσυµµετρικά τους αδέλφια γ Hu u L, R L, R c, t L R H u H d d s b L, R L, R L, R H d G e L, R L, R τ L R µ, G ~ Τα φυσικά νιουτραλίνο 0 0 γ, Z, H, H u Το ελαφρότερο νιουτραλίνο d χ, χ, χ, χ 0 0 0 0 1 2 3 4 Άλλη δυνατότητα για ΣΥ είναι το βαρυτίνο είναι γραµµικοί «συνδυασµοί» των ñ κάτι σαν συµβολή κβαντικών κυµάτων... 0 χ 1 είναι σταθερό και µπορεί να αποτελεί την ΣΥ. G
Μια εικόνα των φυσικών µαζών των προβλεποµένων από την Υπερσυµµετρία νέων σωµατιδίων. Ελπίζουµε ότι τα γλουίνο και τα σκουάρκς θα παράγονται πλούσια στο LHC
Παράγοντας ΣΥ στην Γη: Μέγας αδρονικός Συγκρουστής (LHC) Περίµετρος: 27 χιλµ
Ο Μέγας Αδρονικός Συγκρουστής (LHC) Συγκρούσεις p-p 7 TeV + 7 TeV 10 9 συγκρούσεις/sec Σκοπός: Η απάντηση στα ερωτήµατα: Υπάρχει Υπερσυµµετρία µε M SUSY d1tev και ενοποίηση ; Παράγεται ΣΥ στη Γη ; Υπάρχει το Higgs ; Είναι ελαφρό;
Οανιχνευτής του ATLAS
CMS-TS-00079 6.920 m 2.864 m 1.840 m 1.320 m Οανιχνευτής του CMS CMS CERN, Building 40 ATLAS µ 5.635 m 4.645 m 3.850 m 2.950 m Y ϕ X Towards Center of LHC Transverse View
Η παραγωγή qq, qg, qg, gg στο LHC αναµένεται τεράστια: 10 3-10 7 ev/year. Το αναµενόµενο υπόβαθρο από το SM είναι: 10 8-10 10 ev/year Μόνο µε κατάλληλες «τοµές» στις ορµές γίνεται παρατηρήσιµο το «σήµα», κάτω από ένα τόσο µεγάλο υπόβαθρο.
0 Ένας τρόπος παραγωγής χ 1 στο LHC p g g q Στην διαδικασία αυτή το g εµφανίζεται στο LHC σαν 2 πίδακες, 2 φορτισµένα λεπτόνια και ελλείπουσα ορµή. Αυτή είναι µία από τις δυνατές διαδικασίες... Όσο πιο πολλά βήµατα, τόσο περισσότερη πληροφορία. p q L, R q 0 χ 2 l + l LR, 0 χ 1 l Τα κουάρκ q εµφανίζονται σαν δέσµη τροχιών σωµατιδίων: πίδακες (jets) Τα l +, l - είναι φορτισµένα λεπτόνια και εµφανίζονται σαν µεµονωµένες τροχιές. 0 Το χ 1 διέρχεται «απαρατήρητο». Όµως φαίνεται σαν παραβίαση της αρχής της διατηρήσεως της ορµής κατά την κάθετο προς την κατεύθυνση της δέσµης των προσπιπτόντων p. Ελλείπουσα ορµή!
0 χ 1 µ µ LR, µ + p 0 χ 2 q L, R p q µ 0 χ 1 q L, R q Μια άλλη διαδικασία παραγωγής 2 στο LHC. Εικονίζονται µόνον οι κάθετες στον άξονα συγκρούσεως συνιστώσες των ορµών. Τα νιουτρλίνος είναι αόρατα και η ορµή ελλείπουσα. χ 1 0
Ψάχνοντας για το Higgs στο LHC και στο Tevatron SM SM: BR(H)=Πιθανότητα διασπάσεως του H σε ζεύγη σωµατίων, σαν συνάρτηση του Μ Η. SM m h Συνδυάζοντας τα σφάλµατα όλων των µετρήσεων που διαθέτουµε. SM M = 76 GeV < 142GeV m H cmssm h 33 24 = 110 + 11 13 GeV µε P 95%
Τρόποι και πιθανότητες (ενεργές διατοµές) παραγωγής του SM Higgs H, στο LHC
Αν το SM είναι σωστό και η Higgs µάζα είναι m h º110 GeV, και αν το LHC δουλεύει µε IL º6 fb -1 /y, τότε θα χρειασθούν τρία περίπου χρόνια για την ανακάλυψή του Higgs. Ίσως το Tevatron προλάβει Το IL µετρά την συνολική ολοκληρωµένη ροή των 2 συγκρουόµενων δεσµών p στο LHC, ανά έτος. Το πλήθος κάθε είδους καινούριων γεγονότων, που θα µπορούσαν να ανακαλυφθούν ή να µετρηθούν, είναι ανάλογο του IL. ) -1 Int. Luminosity per Exp. (fb 10 2 SUSY/Higgs Workshop ( 98-99) Higgs Sensitivity Study ( 03) statistical power only (no systematics) 10 1 5σ Discovery 3σ Evidence 95% CL Exclusion 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Higgs Mass m H (GeV/c 2 )
Τελειώνοντας Ο µεγαλύτερος σήµερα συγκρουστής, το Tevatron, λειτουργεί στα ~2 TeV. To LHC θα έχει ενέργεια 14 TeV και τεράστια ροή συγκρουοµένων p. Η ύπαρξη ΣΥ, και οι ενδείξεις για την ενοποίηση των δυνάµεων, m h και άλλα οδηγούν στο συµπέρασµα ότι υπάρχουν κβάντα ύλης που δεν περιέχονται στον SM. Υπάρχει πράγµατι Υπερσυµµετρία µε M SUSY ~1 TeV; Οι ιδιότητες της ΣΥ, οι παρατηρούµενες στον ουρανό και την γη συµπίπτουν ; Υπάρχει πραγµατικά το Higgs ; Ποια είναι η µάζα του; Κάποια απάντηση πρέπει να να δώσει ο LHC ή το Tevatron. Άλλες δυνατότητες ; Πάµπολλες. Μία Ø Στο 1 TeV, ευαισθητοποιούµεθα σε µήκη της τάξεως των 10-17 cm. Είναι δυνατόν να υπάρχουν και άλλες γεωµετρικές διαστάσεις d10-17 cm ; Κβαντικές µελανές οπές θα µπορούσαν τότε να παραχθούν στον LHC!