Uno sguardo oltre il MS

1. ?? Uno sguardooltreil MS Vincenzo Caracciolo Università degli Studi dell’Aquila

2. Il Modello Standard (MS) Introduzione Come interpretiamo i fenomeni che ci circondano? Il MS è una Teoria di Campo Quantizzata Lorentz invariante Perché è un modello? Quali fenomeni descrive? Particelle elementari Come è costruito ? (Formalismo lagrangiano)

3. Il Modello Standard Di cosa è fatto il mondo? Settore Materia fermioni Settore dei bosonimediatori  mediatori delle interazioni fondamentali Settore della rottura spontanea della simmetria  meccanismo per generare lo spettro di massa dei fermioni e dei bosoni Carica elettrica 0 -1 +1 0 0 Carica elettrica 0 -1 2/3 -1/3 Spin 1 1 1 1 Spin 1/2 1/2 1/2 1/2

4. Il Modello Standard Tutto da dimostrare! Si dice che una simmetria è rotta quando la lagrangiana non è più simmetrica rispetto a tale simmetrie. Invece la rottura spontane della simmetria si manifesta quando è solo lo stato di vuoto, cioè quello di minima energia, a perdere una data simmetria. La simmetria di gauge non è compatibile con un termine di massa esplicitamente presente nella lagrangiana del MS. Per superare il problema si fa uso del meccanismo della rottura spontanea della simmetria. La scelta minimale per tale meccanismo consiste nel postulare l’esistenza di una nuova particella, chiamata particella di Higgs in onore del suo ideatore

5. Il Modello Standard E’ invariante per trasformazioni locali di gauge  interazioni E’ invariante per trasformazioni di simmetria che permettono la conservazioni di grandezze rilevanti (Teorema di Noether) La lagrangiana del MS si basa sul gruppo di simmetria SUc(3)  SUL(2)  UY(1). Interazione elettrodebole Cromodinamica quantistica

6. Limiti del Modello Standard Questioni aperte E’ una teoria completa? • Schema dei gruppi e rappresentazioni dei campi del tutto arbitrari • Perché l’interazione forte conserva la parità e non quella debole • Perché la terza famiglia leptonica è più pesante della seconda e questa della prima • Perché le costanti di interazioni sono così diverse • Perché i leptoni hanno carica unitaria e i quark hanno carica frazionaria • Perché alle costanti di accoppiamento di Yukawa non è associata alcuna forza • 18 (o forse 25) parametri della teoria del tutto arbitrari • Come spiegare l’assenza di antimateria nell’universo • Il neutrino ha massa? quali peculiarità ha? • Quale è la natura della materia oscura La presenza di piccole differenze tra i parametri liberi è il sintomo dell’esistenza di dinamiche nascoste?

7. Limiti del Modello Standard Questioni aperte Le costanti di accoppiamento sono molto diverse a basse energie, ma tendono a diventare simili all’aumentare dell’energia. gi-2(m) = gi-2(m0)-bi/(8p2)ln(m/m0) Esiste una unica costante di accoppiamento? A quale scala di energia? ? GUT

8. Higgs ? t unificazione E.W. W particelle supersimmetriche ? e  c b 10-3 100 103 106 109 1012 1015 1018 E (GeV) C’è qualche cosa oltre il MS? ? Come studiare la nuova fisica?

9. Il decadimento del protone Perché il protone è ritenuta una particella stabile? Una violazione del numero barionico implica una necessaria violazione del numero leptonico L = numero leptonico B = numero barinico Decadimento del nucleone DB=-1 implica una violazione del numero leptonico! L’idea è di descrivere tali processi tramite dei termini di una teoria di campo effettiva Perché si parla di lagrangiana effettiva? Ricorda il procedimento logico seguito da Fermi per lo studio dell’interazione debole

10. Il decadimento del protone Chi è aX? Chi MX? Limite exp Se aX ~1/137 allora Mx ~ 1015GeV Può esistere una relazione con le costanti di accoppiamento di Yukawa? Per migliorare le stime dimensionali occorre inserire il fenomeno in una teoria organica, ad esempio una GUT Occorre considerare: Evoluzione delle costanti di accoppiamento Elemento della matrice adronica (adroni=particelle soggette all’interazione forte, es. quark) Scrivere nel dettaglio una teoria completa

11. Energia Quale gut? Il caso di GGUT=SU(5) Piccole differenze… c’è altro? Ricordate come evolvono le costanti di accoppiamento?

12. Supersimmetria IPOTESI: Per ogni particella del modello standard esiste un partner supersimmetrico in modo che ad un bosone corrisponda un fermione e viceversa. Le nuove particelle sono chiamate quarksquark, elettroneselettrone, pionespione, fotonefotino ... Perché possono risolvere il problema? gi-2(m) = gi-2(m0)-bi/(8p2)ln(m/m0) b function MS b function SUSY

13. MS supersimmetrico minimale E Ggut  MSSM Mx ~1016GeV ax-1 ~ 20

14. Considerazioni sperimentali Esistono vari canali di decadimento ad esempio: pe+p0 t >1033 anni pK+ anti-n t >1032 anni Pp+ anti-n t >1031 anni ne- k+ t >1031 anni Questi sono favoriti in alcune teorie di grande unificazione piuttosto che in altre. Ad esempio, i decadimenti con i K sono favoriti negli accoppiamenti di Yukawa in teorie SuperSimmetriche. Grazie per l’attenzione bassa probabilità di decadere = grande vita media Tuniverso~1010 anni RIVELATORE DI GRAMDE DIMENSIONE Ma quanto grandi? H20 Ar ~10Kton Ma l’efficienza di rivelazione? Tecnica di identificazione delle particelle Esistenza di un fondo irriducibile Materia/antimateria p  e+p0 anti-p  e-p0

16. Dove è finita l’antimateria? Se p  e+p0 è più lenta di anti-p  e-p0 (= violazione CP) allora potrebbe spiegare un eccesso di materia su antimateria

18. Limiti del Modello Standard Questioni aperte Quanti sono i parametri liberi della teoria? 3 costanti di accoppiamento m, l del potenziale del campo scalare 6 costanti di Yukawa per i quark 3 angoli della matrice CKM e una fase CP 3 costanti di Yukawa per la massa dei leptoni carichi (oppure 3 costanti di accoppiamento di Yukawa per i neutrini e 3 angoli di mescolamento e una fase CP) 18 (o 25) PARAMETRI LIBERI !!

20. ? Ms approssimazione …. Gut …. Quali esperimenti? …. M GUT elettrodebole Gravità Forte debole e.m.

21. Tuttavia l’esistenza della SuperSimmetria prevede altri canali di decadimento legati agli accoppiamenti di yukawa in teorie di GUT Canalid di decadimento superisimmetrici

22. -1/2 Y = Q - I3

24. b>1/n