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 och krafter

7 materiens minsta byggstenar All materia består av kvarkar och elektroner

8 håller materian samman

9 Elementarpartikelfysikens standardmodell Beskriver materien och de elektromagnetiska, starka och svaga krafterna i detalj (men inte gravitation)

10 den sista pusselbiten

11 4:e juli en historisk dag på många sätt...

12 4:e juli en historisk dag på många sätt...

13 4:e juli en historisk dag på många sätt...

14 4:e juli en historisk dag på många sätt... Nu också i partikelfysikens värld

15 4:e juli en historisk dag på många sätt... Nu också i partikelfysikens värld

16 Nyheten spreds som en löpeld över världen

17 till och med på ekonomisidorna

18 och publicerades i en ledande tidskrift

19 Klar signal från pp H ZZ µ + µ µ + µ

20 Observation av Higgspartikeln vid LHC kandidathändelse för pp H ZZ µ + µ µ + µ

21 Var det allt?

22 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa

23 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat

24 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 126 GeV/c 2

25 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 126 GeV/c 2 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?

26 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 126 GeV/c 2 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning?

27 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 126 GeV/c 2 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning? 5 Varifrån kommer den mörka materien?

28 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 126 GeV/c 2 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning? 5 Varifrån kommer den mörka materien? 6 Varför är Higgspartikeln så lätt?

29 Problem med Varfo r a r Higgspartikeln mycket la ttare a n Planckmassan? (den skala da r gravitationen a r lika stark som o vriga krafter) Kvantmekaniska bera kningar i standardmodellen fo rutsa ger mhiggs mplanck GeV/c2

30 Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar ska partiklar och krafter

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

32 Higgspartikelns massa med supersymmetri Om supersymmetrin är exakt förvinner alla kvantmekaniska korrektioner till Higgspartikelns massa Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar + = 0 n förutsa 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

33 Antipartiklar Inte första gången en teori förutsäger en dubblering av antalet partiklar Paul Dirac förutsa antipartiklar då han formulerade en relativistisk ekvation för elektroner (Poincaré-symmetri) Partiklar och krafter Higgspartikelns massa Antipartiklar

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

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

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

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

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

39 ATLAS-experimentet ovan jord CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gra nser

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

41 ATLAS detektorn CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser 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

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

43 ATLAS signal för en supersymmetrisk partikel CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser 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

44 ATLAS gränser på supersymmetriska modeller CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser Ännu inga signaler

45 Frågor för LHC Varför är Higgspartikeln så lätt jämfört med Planckmassan? 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 fortsätter utforskandet i april 2015