Co odkryje akcelerator LHC ?

Co odkryje akcelerator LHC ?
AA
Wszystkie dodatkowe informacje
wstaw tutaj
•
•
•
•
LEP/LEP2 - ok. 200 GeV CM
TeVatron - ok. 2 TeV CM
LHC
- ok. 14 TeV CM
ILC
- ok. 1 TeV CM
Przekroje czynne w LHC
• aa
•Około Miliard zdarzeń na sekundę
•Około 1/miliard interesujących
Coś musi być!
• Odkryto masywne cząstki o spinie 1, tzw. bozony
W i Z o masach ok. 80 GeV i 91 GeV
• QFT nie lubi masywnych pól wektorowych
(potrzebna symetria cechowania)
• Teorie z wyrazem masowym M załamują się przy
skali ok. 4 π M
• W pełnej teorii masa musi brać się z
oddziaływania bozonów wektorowych z niosącym
ładunek kondensatem (spontaniczne łamanie
symetrii cechowania)
• Analogia z nadprzewodnictwem
• LHC odkryje źródło mas bozonów W i Z! (czyli
mechanizm łamania symetrii elektrosłabej)
Model Standardowy-Mechanism Higgsa
• Niezerowa wartość próżniowa fundamentalnego pola
(dubletu) Higgsa w minimum potencjału
• Masa bozonów W i Z pochodzi z oddziaływania z
wypełniającym cały wszechświat naładowanym
(względem oddziaływań słabych) kondensatem pola
Higgsa
• Wzbudzenia kondensatu - cząstka skalarna (spin 0)
tzw. bozon Higgsa
• W MS masy elementarnych fermionów (elektronu,
kwarków,...) także pochodzą z ich oddziaływania z
kondensatem Higgsa
Czy już widać bozon Higgsa?
• Dynamiczna próżnia w QFT wirtualne cząstki stale kreowane i
anihilowane
• Cząstki zbyt ciężkie by mogłyby być
wyprodukowane mogą wpływać na
wyniki niskoenergetycznych
doświadczeń
• Np. masa bozonu W zależy od istnienia
i masy bozonu Higgsa
• Pomiar Mw = 80.4260.034 GeV (i
inne pomiary) - bozon Higgsa istnieje i
jego masa jest mniejsza niż 250 GeV
• Doświadczenie LEP2: Mhiggs >115 GeV
• LHC prawie na pewno odkryje bozon
Higgsa!
Czy LHC znajdzie ciemną materię?
•
•
•
•
•
0.25 gęstości krytycznej wszechświata pył nieznanych, neutralnych (q=0),
niebarionowych, stabilnych cząstek
Dla nierelatywistycznych cząstek, które były
w równowadze termodynamicznej z resztą
kosmicznej plazmy:
Kandydat na CDM - stabilna, neutralna
cząstka anihilująca z przekrojem czynnym:
Zadziwiający przypadek? Typowa stabilna
cząstka o masie 100 GeV < M < 1 TeV daje
dobry rząd wielkości 
LHC być może odkryje cząstkę, która stanowi
większość masy wszechświata!
Co jeszcze może znaleźć LHC?
• QFT nie lubi lekkich skalarów
• Efekty kwantowe generują masy pól
skalarnych rzędu g/2, gdzie  jest skalą
obcięcia teorii, a g jest stałą sprzężenia
• W generycznej QFT istnienie skalara o masie
M<<  /2 wymaga kasowania między
parametrem masowym w lagrangianie i
efektami kwantowymi (tzw. fine-tuning)
• Jeśli nie akceptujemy fine-tuningu, potrzebne
są dodatkowe struktury, które zapewnią
zmniejszenie poprawek kwantowych
Magiczne Słowo: Symetria
• Fluktuacje kwantowe generują wszystkie możliwe efekty, chybe że
efekt ten jest zabroniony przez symetrie
• Np. lokalna symetria U(1) - zachowanie ładunku elektrycznego
• Przybliżone lub spontaniczne złamane symetrie - poprawki kwantowe
proporcjonalne do parametru łamiącego symetrię
Symetrie strzegące mas cząstek:
 Symetrie lokalne - masy cząstek wektorowych
(spin 1)
 Symetrie chiralne - masy fermionów (spin 1/2)
(symetrie działające różnie na prawo i lewoskrętne
polaryzacje)
 Spontanicznie złamane symetrie globalne - masy
cząstek skalarnych (spin 0) (bozony Goldstone’a)
Supersymetria
•Reprezentacje supersymetrii łączą cząstki o
różnych spinach (np. skalary o spinie 0 i
fermiony o spinie 1/2)
•W supersymetrii, równe masy wszystkich
cząstek w jednym multiplecie (z
dokładnością do skali łamania supersymetrii
Msusy)
•Masy fermionów chronione przez symetrie
chiralne  masy skalarów też chronione
We  SUSY
• Jedyna symetria, która pozwala na istnienie naturalnie lekkich
(M << /2 ) pól skalarnych w ramach perturbacyjnej teorii
Minimalna wersja (MSSM)
Tylko superpartnerzy znanych cząstek i minimalny sektor Higgsa
•Łamanie symetrii elektrosłabej, Mz  Msusy
•Bozon Higgsa o masie Msusy  Mz
•Superpartnerzy bozonu Z, fotonu i Higgsa
kandydatami na ciemną materię
•Unifikacja stałych sprzężenia
LHC odkryłby superpartnerów znanych cząstek
(fotino, zino, wino, selektron, stop, skwarki...)
Mały Higgs
• Nowe symetrie lokalne prowadzące do silnych oddziaływań przy skali
f ok. 10 TeV (QCD bis aka Technikolor)
• Bozon Higgsa bozonem Goldstona, odpowiadającym globalnej
symetrii G spontanicznie złamanej przez kondensaty technikolorowe
• Masa bozonu Higgsa chroniona przez spontanicznie złamane
symetrie, H = f   H 2
• Rozszerzenie symetrii MS o symetrię G poprzez wprowadzenie
nowych cząstek (nowych, ciężkich bozonów cechowania i nowych,
ciężkich kwarków)
Cząstki o spinie 1 (tzw. W’ i Z’) oraz ciężkie
kwarki o masie ok. 1 TeV w LHC
Inne pomysły
Modele BezHiggsowe:
bozon Higgsa nie istnieje,
nowe bozony cechowania
ratują unitarność; masywne
(ok. 1 TeV) bozony
cechowania W’, Z’ i brak
Higgsa w LHC
Dodatkowe wymiary: bozon Higgsa
składową pola cechowania żyjącego
4+n wymiarach; masywne (1 TeV)
kopie znanych cząstek w LHC (tzw.
mody Kaluzy-Kleina)
Duże Dodatkowe Wymiary:
skala grawitacji ok. 1 TeV,
QFT przestaje obowiązywać;
emisja grawitonów w
dodatkowe wymiary i czarne
dziury w LHC
Co w trawie piszczy?
Niepokojące wnioski z niskoenergetycznych doświadczeń: oprócz
cząstki Higgsa nie widać nic!
charged DM
Co jeśli LHC odkryje bozon Higgsa i nic poza tym?
Prawdobodobna konkluzja:
• Wielkość Mz (skala elektrosłaba) nie wynika
z głębszej teorii
• W mikroświecie (tak jak w makroświecie)
niektóre wielkości fizyczne są dziełem
przypadku
• Przyroda może mieć inne poczucie estetyki!
(analogia z przeszłości: model Keplera
Układu Słonecznego)
• Olbrzymie konsekwencje dla metodologii
badań oddziaływań fundamentalnych
Podwójna ochrona
• 09/2005: Berezhiani, Chankowski, AA,
Pokorski - Supersymetryczny model
rozszerzony o spontanicznie złamane
symetrie globalne
• Masa bozonu Higgsa chroniona
podwójnie: przez supersymetrie i
globalne symetrie (Supersymetryczny
Mały Higgs albo Little SUSY)
• Model przewiduje Mz  Msusy/4π
(a nie Mz  Msusy jak MSSM)
• Ciężki kwark typu T (+2/3) oraz
superpartnerzy bozonów cechowania
o masie nie większej niż 1 TeV w
LHC
Co odkryje LHC
• Na pewno: źródło mas bozonów W i Z, czyli
mechanizm łamania symetrii elektrosłabej
• Prawie na pewno: lekką (M < 250 GeV) cząstkę
skalarną o spinie 0, czyli bozon Higgsa
• Być może: nienaładowaną, stabilną, słabo
oddziałującą cząstkę, czyli kandydata na ciemną
materię
• Prawdobodobnie: nowe symetrie przyrody i
związane z nimi nowe cząstki
• Być może: LHC zmieni na zawsze nasze
rozumienie fizyki oddziaływań fundamentalnych