Neue Physik jenseits des Standardmodells

1. Neue Physik jenseits desStandardmodells SS 2004 Vortragender: Martin Brodeck Betreuer: Prof. T. Hebbeker

2. Inhalt • Zusätzliche Raumdimensionen (LXD) • Einführung • Theorie • Gravitationsexperimente • Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern • Ausblicke Neue Physik jenseits des Standardmodells

3. EinführungOffene Fragen • Warum ist die Gravitation so schwach? • Haben die Kräfte eine gemeinsame „Ursache“? • Waren die Kräfte im Urknall gleich? • Ist das Universum beim Abkühlen unsymmetrisch geworden? • Ziel: Große Vereinigung inklusive Gravitation Neue Physik jenseits des Standardmodells

4. Einführung • Ziel: Vereinigung von Theorien/WW • Maxwell: elektrische und magnetische Kräfte Elektromagnetismus • Einstein: spezielle Relativitätstheorie und Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie • Glashow, Weinberg und Salam: Schwache und elektromagnetische Kraft elektroschwache Theorie • Elektroschwache und starke Kraft: Grand Unification Theorie (GUT)? • Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali 1998: Vereinigung mit der Gravitation? Neue Physik jenseits des Standardmodells

5. Zusätzliche RaumdimensionenIdee • Theodor Kaluza führt 1919 neue Raum-Dimensionen ein; er begründet fehlende Anzeichen durch „aufgerollte“ Dimensionen • Oskar Klein veröffentlicht 1926 mathematische Grundlagen zu „kompakten“ Extra-Dimensionen Erste Abschätzung: Größe der Dimensionen < kleinste Wellenlänge beobachteter Photonen Neue Physik jenseits des Standardmodells

6. Zusätzliche RaumdimensionenGravitation in Extra-Dimensionen Integral über geschlossene Oberfläche proportional zur eingeschlossenen Masse Das Gravitationsfeld um eine Punktmasse ist isotrop Anmerkung: Unsere „normale“ Welt (n=0) hat 4 Dimensionen (3xRaum + 1xZeit) Neue Physik jenseits des Standardmodells

7. Zusätzliche RaumdimensionenGravitationspotential in einer Extra-Dimensionen n=0 n=1 r r n>=2 • Stabile Kreisbahn nur für n=0, keine Stabilität bei n>=1 • Kein Sonnensystem in höheren Dimensionen • Ansatz so nicht sinnvoll r Neue Physik jenseits des Standardmodells

8. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Neuer Ansatz: Die zusätzlichen Dimensionen sind „aufgerollt“ und sehr klein, daher für uns nicht sichtbar! Wir betrachten Gravitationskraft in aufgerollten Dimensionen und benutzen dazu die Bildmethode: Neue Physik jenseits des Standardmodells

9. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Summe über alle gespiegelten Massen Kompensiert die senkrechten Kraftanteile Abstand der Massen Neue Physik jenseits des Standardmodells

10. Zusätzliche RaumdimensionenGravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für mehr als eine Extradimension enthält die Formel einige zusätzliche Summen: Neue Physik jenseits des Standardmodells

11. Zusätzliche RaumdimensionenGravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für r << R wird der Ausdruck bei i = 0 sehr viel größer als die anderen Terme Neue Physik jenseits des Standardmodells

12. Zusätzliche RaumdimensionenGravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für r >> R konvergiert die unendliche Summe Neue Physik jenseits des Standardmodells

13. Zusätzliche Raumdimensionen Die Idee von Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali • 1998 veröffentlichten Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali (ADD) einen Artikel in dem die Schwäche der Gravitation durch zusätzliche Raumdimensionen erklärt wird: • Nur Gravitonen können in die zusätzlichen Dimensionen entweichen (bulk) •  Gravitation sieht für uns schwächer aus als sie ist • Alle Felder des Standardmodells bleiben in unseren 3+1 Dimensionen (brane) Neue Physik jenseits des Standardmodells

14. Zusätzliche RaumdimensionenDas Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Ziel von ADD: Lösung des Hirarchie-Problems mEW ~ M4+n Kopplungskonstanten (Stärke einer Wechselwirkung): ~α für hohe Energien Planckmasse Aus Dimensionsbetrachtungen erhält man: Neue Physik jenseits des Standardmodells

15. Zusätzliche RaumdimensionenDas Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Gravitation in unserer Welt: Neue, verallgemeinerte Kopplungskonstante: Konstante Neue Physik jenseits des Standardmodells

16. Zusätzliche RaumdimensionenDas Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Falls es aufgerollte Raumdimensionen gibt, so müssen es mindestens 2 sein. Dieser Ansatz reproduziert unser bisheriges Wissen und lässt gleichzeitig Raum für neue Interpretationen. Neue Physik jenseits des Standardmodells

17. Zusätzliche RaumdimensionenKaluza-Klein states Impuls in einer aufgerollten Dimension quantisiert (Schrödingergleichung) Betrachten masseloses Teilchen (Graviton) mit Impuls in 5-ter Dimension: 5-er Impulsvektor: p hier der 3-dimensionale Impulsvektor Impuls in zusätzlicher Dimension erscheint uns als Masse Neue Physik jenseits des Standardmodells

18. Zusätzliche RaumdimensionenKaluza-Klein Towers Für einen Betrachter im bulk erscheint jedes Bewegungsquant als angeregter KK-Zustand mit Masse: Neue Physik jenseits des Standardmodells

19. Zusätzliche RaumdimensionenZusammenfassung • „Neues“ Gravitationsgesetz für 4+n Dimensionen • Aufgerollte Dimensionen ermöglichen Erhalt der alten Gesetze mit neuen Interpretationen • ADD beschreiben neues Modell: • Gravitonen verschwinden im bulk Schwäche der Gravitation • Massenskala ~ mEW • n >= 2 Neue Physik jenseits des Standardmodells

20. Zusätzliche Raumdimensionen • Gravitationsexperimente • Schwierigkeiten • Torsionswaagen • Resonanz-Frequenz-Techniken Neue Physik jenseits des Standardmodells

21. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Für r~R kann die Abweichung von der üblichen 1/r2-Abhängigkeit gut durch einen Yukawa-Term beschreiben werden. Messungen werden in einem solchen Graphen veröffentlicht. Neue Physik jenseits des Standardmodells

22. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Offensichtliches Problem: Schwäche der Gravitationskraft. Wir betrachten die Verkleinerung des Versuchsaufbaus um einen Faktor A: Massen: Je A-3 pro Testmasse  insgesamt Faktor A-6Abstand: Faktor A2 Insgesamt: Schwächung der Kraft um Faktor A-4 Verkleinerung der Anordnung auf die Hälfte  Schwächung der Kraft auf 1/16 Neue Physik jenseits des Standardmodells

23. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Neue Physik jenseits des Standardmodells

24. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Casimir – Kräfte • 1948 vorausgesagt von Hendrik Casimir • Tritt zwischen zwei leitenden Oberflächen auf • Vakuum-Fluktuationen erzeugen elektromagnetischesFeld • Zwischen den Platten werden einige Schwingungsmoden unterdrückt • Es können nur virtuelle Photonen bestimmter Frequenzen entstehen • Quantendruck von außen • Resultierende anziehende Kraft • Nachgewiesen 1958 von Marcus Spaarnay et al. • Zwei Metallplatten mit 1cm2 Fläche und Abstand 1μm: 10-7 N Neue Physik jenseits des Standardmodells

25. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit einer Torsionswaage: Cavendish, 1798University of California, 2000Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, 2001 • 1mm Aluminiumscheibe mit 10 Löchern (Testmasse) • Darunter zwei Platten gleicher Anordnung (Quellmasse) • Rotation der Quellmasse alle zwei Stunden Torsion (optisch Ausgelesen) • Untere Platte dicker und um 18 Grad verdreht [360°/10/2] Normale 1/r2 Abhängigkeit wird „gelöscht“ • 20 μm Beryllium-Folie zwischen Masse • Dünne Goldschicht auf allen Teilen • Dämpfung 1.5 cm Neue Physik jenseits des Standardmodells

26. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, 2001 Messung der Gravitation bei Abständen von ca. 200 μm Ergebnis: Keine anormalen Abweichungen feststellbar 1 cm Neue Physik jenseits des Standardmodells

27. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken J.C. Price et al. an der University of Colorado, 2003S. Schiller et al. von der Universität von Düsseldorf, 2001A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 100 μm x 100 μm x 1mm 50 μm x 50 μm x 30 μm • 1 mg Gold auf Trägerarm (Testmasse) • Quellmasse aus Silizium mit Goldstreifen • Quellmasse schwingt mit Resonanzfrequenz des Trägers (300 Hz). - Resultierende Kraft: Atto-Newton (10-18N) • Auslenkung: einige Angstrom, vermessen mit Interferometer • Abmessung Träger: 150 μm lang, 0.3 μm dick Neue Physik jenseits des Standardmodells

28. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 Neue Physik jenseits des Standardmodells

29. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 • Kühlung des Systems auf 4 K (Flüssig-Helium Kryostat) • Durchführung im Hochvakuum • Mantel des System ist aus Metall  Faraday • Casimir-Kraft wird durch 3 μm Nitridfilm abgeschirmt • Besonders wichtig:Abschirmung vomPiezo-Biomorph 35 cm Neue Physik jenseits des Standardmodells

30. Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 Ergebnisse Neue Physik jenseits des Standardmodells

31. Zusätzliche Raumdimensionen Effekte am Tevatron Emission von Gravitonen in Extra-Dimensionen Das Signal: fehlende Transversalenergie zusammen mit einem hochenergetischem Jet. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Veränderung des Wirkungsquer-schnittes für Di-Lepton und Di-Photon Produktion Neue Physik jenseits des Standardmodells

32. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Simulation von . Das Gluon erzeugt einen Jet, das Graviton entweicht in die Extra-Dimensionen und wird nicht nachgewiesen.  Suche nach Monojets Neue Physik jenseits des Standardmodells

33. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Vorteil: relativ großer Wirkungsquerschnitt Nachteil: Großer Untergrund: Daten aus dem Detektor am Tevatron (gesammelt 1994 – 1996) Kollisionen mit und einer integrierten Luminosität von Wichtigste Trigger: Qualität! Es darf ein zweiter Jet mit ET(j2) < 50 GeV vorhanden sein (ISR und FSR) Events mit einem Myon werden aussortiert (W/Z-Produktion und kosm. Strahlung) Neue Physik jenseits des Standardmodells

34. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Die erwarteten Events wurden mit PHYTIA Monte Carlo Generator simuliert. Folgende Szenarien wurden untersucht: n = 2..7 M4+n = (600 .. 1400) GeV Neue Physik jenseits des Standardmodells

35. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Keine Bestätigung von ADD in diesem Bereich! Aber… Neue Physik jenseits des Standardmodells

36. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern …neue Grenzen des Modells: Unteres Limit für M4+n Auch die Experimente am LEP konnten keine Extra-Dimensionen nachweisen Neue Physik jenseits des Standardmodells

37. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Effekte am LEP Direkte Graviton-Emission Das Signal: Größerer Wirkungsquerschnitt für den Annihilationsprozess der Elektronen. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Abweichung von den QED und SM Vorhersagen. Neue Physik jenseits des Standardmodells

38. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Virtueller Gravitonenaustausch Neue Physik wird durch einen Zusatzterm in Wirkungsquerschnitt beschrieben: Neue Physik jenseits des Standardmodells

39. Zusätzliche RaumdimensionenAuswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ergebnisse des virtuellen Graviton-Austausches Low Scale Gravity Neue Physik jenseits des Standardmodells

40. Zusätzliche RaumdimensionenExperimente Zusammenfassung • Direkte Messung der Gravitation konnte für n=2 M4+n auf mindestens 1,4 TeV begrenzen (Torsionswaage und Resonanz-Frequenz-Technik) • n=3 nicht direkt messbar • Effekte von Gravitonemission und virtuellem Gravitonenaustausch müssten an Detektoren sichtbar sein • Auswertung der Daten vom Tevatron und LEP kann LXD nicht nachweisen, die neue Planck-Masse M4+n aber eingrenzen Neue Physik jenseits des Standardmodells

41. g g Ausblicke • Verbesserung der Ergebnisse durch laufenden Betrieb am Tevatron • Auch LHC kann Grenzen festlegen, die Theorie von Extra Dimensions aber nicht wiederlegen • Falls Extra Dimensionen: FG > FEM möglich • Produktion von Micro Black Holes • Nachweis über Hawking-Strahlung • Untersuchung von Schwarzen Löchern Neue Physik jenseits des Standardmodells

42. Ende Neue Physik jenseits des Standardmodells

43. Zusätzliche RaumdimensionenKaluza-Klein: Vereinigung von Gravitation und Elektromagnetismus Historischer Einschub: Vereinigung von Gravitation und Elektromagnetismus Wir betrachten die Gravitationskraft in dieser 5D Welt: Viererimpulse! Jetzt Geschwindigkeit in 5-ter Dimension: Gravitation Coulomb (anziehend/abstoßend) Dies entspricht ungefähr der Plancklänge  Keine Lösung für große Raumdimensionen Neue Physik jenseits des Standardmodells