Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Transkript

1 en ny värld av partiklar att upptäcka, Lunds Universitet NMT-dagar, Lund, i fysik 2 och krafter 3 ska partiklar och krafter 4 på jakt efter nya partiklar

2 Newtons 2:a lag i fysik

3 Newtons andra lag Newtons 2:a lag F = m a densamma oavsett position, tid och hastighet eller?

4 Newtons andra lag, förbättrad Newtons 2:a lag Vid höga hastigheter ökar den effektiva massan (Einstein) F = m a 1 v 2 c 2 inget kan röra sig fortare än ljuset (a = gäller oavsett position, tid och hastighet! 1 v 2 c 2 F m ) Poincaré-invarians Så vitt vi vet måsta alla fysikaliska teorier ha en sådan rumtids -symmetri

5 Utvidgar Poincaré-symmetrin med en spegel -symmetri Newtons 2:a lag varje elementarpartikel har en supersymmetrisk partner varför?

6 Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II och krafter

7 materiens minsta byggstenar Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II All materia består av kvarkar och elektroner

8 Naturens krafter håller materian samman Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II

9 Elementarpartikelfysikens standardmodell Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II Beskriver materien och de elektromagnetiska, starka och svaga krafterna i detalj (men inte gravitation)

10 Problem med Standardmodellen - I Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II Hur får partiklar massa? m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 I standardmodelen är alla partiklar masslösa om inte Higgspartikeln finns

11 Problem med Standardmodellen - II Varfo r a r Higgspartikeln mycket la ttare a n Planckmassan? (den skala da r gravitationen a r lika stark som o vriga krafter) Materiens byggstenar Naturens krafter Standardmodellen SM problem I SM problem II Kvantmekaniska bera kningar i standardmodellen fo rutsa ger mhiggs mplanck GeV/c2

12 Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar ska partiklar och krafter

13 ska partiklar och krafter Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar varje partikel har en supersymmetrisk partner

14 Higgspartikelns massa med supersymmetri Om supersymmetrin är exakt förvinner alla kvantmekaniska korrektioner till Higgspartikelns massa Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar n förutsäger att m Higgs < 140 GeV/c 2 Priset vi får betala är en dubblering av antalet elementarpartiklar ingen supersymmetrisk partikel har hittats (ännu) Samtidigt om den lättaste supersymmetriska partikeln är stabil kan den förklara den mörka materien

15 Antipartiklar Inte första gången en teori förutsäger en dubblering av antalet partiklar Paul Dirac förutsade antipartiklar då han formulerade en relativistisk ekvation för elektroner Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar

16 CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal på jakt efter nya partiklar

17 Elementarpartikelfysikcentret CERN CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal 100 m under marken finns LHC tunneln med omkrets 27 km

18 LHC tunneln CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal Hela ringen är fylld med 1232 supraledande magneter nedkylda med flytande helium till 1.9 grader över absoluta nollpunkten kallare än i yttre rymden

19 LHC magneter CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal Magneterna böjer strålar med protoner så att de kan cirkulera i tunneln en stråle i vardera riktning

20 LHC experimenten CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal Forskare från Lund deltar i två av experimenten: ATLAS letar efter Higgspartikeln och andra nya partiklar ALICE försöker återskapa förhållandena några sekunder efter Big Bang

21 ATLAS-experimentet ovan jord CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal

22 ATLAS magneter CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS detektorn är 20 meter hög och 40 meter lång

23 ATLAS detektorn CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal Hela volymen är fylld av olika detektordelar Mitt i detektorn kolliderar protoner som kommer in från varsitt håll med procent av ljushastigheten I protonkollisionen kan nya partiklar produceras

24 ATLAS bakgrund CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal Men för det mesta kommer bara kvarkar att produceras

25 ATLAS signal för en supersymmetrisk partikel CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ska skvarkar som produceras sönderfaller till kvarkar vilka syns i detektorn men också den lättaste supersymmetriska partikeln som förvinner utan att lämna några spår obalans i transversella planet

26 Frågor för LHC Är det Higgspartikeln som ger partiklar massa? Finns det supersymmetriska partiklar? Består mörk materia av den lättaste supersymmetriska partikeln Finns det fler krafter eller förenas all krafter vid hög energi i en urkraft Finns det fler rumsdimensioner? LHC forsätter letandet denna månad första svaren nästa år