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Der Large Hadron Collider: Supersymmetrie auf die Probe gestellt

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Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde in Messungen konsequent bestätigt, es gibt jedoch keine Antworten auf einige grundlegende Fragen. Dies kann zu Supersymmetrie führen. Daher zielen LHC-Experimente darauf ab, nach supersymmetrischen Partikeln zu suchen. Die Analysen sind äußerst vielfältig und empfindlich gegenüber anderen Erweiterungen des Standardmodells. In den letzten Jahren wurden erstmals sehr schwierige Forschungsarbeiten durchgeführt, beispielsweise an den supersymmetrischen Partnern des Higgs-Bosons.

Die Wechselwirkung von experimentellen Ergebnissen und theoretischen Konzepten führt seit mehr als 50 Jahren zum Standardmodell der Teilchenphysik, das die Struktur von Materie und grundlegende Wechselwirkungen auf mikroskopischen Längenskalen von bis zu 10 zeigt-19 Beschreibt Meter oder Energie bis zu einem teraelektronischen Volt (TeV) – ein Elektronenvolt (eV) entspricht der Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es über eine Entfernung von einem Meter auf ein Potential von einem Volt beschleunigt wird. Ein zentraler Baustein ist der Higgs-Mechanismus, durch den Elementarteilchen ihre Masse aufnehmen. Ein neues Kapitel in der Grundlagenforschung begann mit der Entdeckung eines Higgs-Partikels im Large Hadron Collider (LHC) am CERN im Jahr 2012 und der möglichen Erforschung des Higgs-Mechanismus.

Dieser Artikel wurde erstmals im Journal of Physics 19, 2020 veröffentlicht.

Michael Krämer studierte Physik an der Universität Mainz und promovierte. Er war wissenschaftlicher Mitarbeiter bei DESY in Hamburg, am Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire und am CERN in Genf sowie Dozent und Leser an der Universität von Edinburgh. Seit 2004 ist er Professor für Theoretische Physik an der RWTH Aachen.

Jeanette Lorenz (FV-Teilchenphysik) studierte Physik an der Erlangen und der LMU München und promovierte und habilitierte an der LMU München. Seit 2015 leitet sie eine kleine Forschungsgruppe an der LMU München. Sie ist Mitglied der ATLAS-Kollaboration und leitet seit 2020 Aktivitäten zur Interpretation der Supersymmetrieforschung, zuvor forschte sie nach Gluinos und Squarks.

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Isabell Melzer-Pellmann (FV Teilchenphysik) studierte Physik in Münster und promovierte an der Universität Mainz. Von 2009 bis 2014 leitete sie eine neue Forschungsgruppe bei DESY und U Hamburg, wo sie seitdem Teil der DESY-Belegschaft ist. Sie ist Mitglied der CMS-Zusammenarbeit, in der sie seit 2013 verschiedene Aktivitäten in der aktuellen und zukünftigen SUSY-Forschung geleitet hat.

Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, deren Struktur durch Symmetrie bestimmt wird: Poincaré-Symmetrie, die sich aus der speziellen Relativitätstheorie als Raum-Zeit-Symmetrie ergibt, sowie die Symmetrie der inneren Freiheitsgrade von Elementarteilchen, die Messsymmetrie. Obwohl die Vorhersagen des Standardmodells in zahlreichen Experimenten eindrucksvoll bestätigt wurden, können einige grundlegende Fragen der Physik nicht beantwortet werden: Was ist die Natur der Dunklen Materie? Wie kam es zu einer Asymmetrie der Antimaterie? Was ist der Ursprung von Neutrinomassen? Diese Fragen stehen im Zentrum der aktuellen Grundlagenforschung und erfordern neue theoretische Konzepte.

Einer der interessantesten Ansätze zur Erweiterung des Standardmodells ist die Supersymmetrie. Es impliziert eine faszinierende Erweiterung von Raum und Zeit, indem es sie mit der Rotation der Quanteneigenschaft in Beziehung setzt und so eine Beziehung zwischen Materieteilchen mit halber Rotation (Fermionen) und Kraftteilchen mit vollem Spin (Bosonen) herstellt. Diese Verbindung stellt die einzig mögliche Erweiterung der Poincaré-Symmetrie dar.

In supersymmetrischen Theorien hat jedes fundamentale Teilchen einen supersymmetrischen Partner, dessen Rotation um 1/2 variiert. Ein supersymmetrisches Elektron mit der Rotation 0 (normalerweise mit ẽ bezeichnet) gehört zum Elektron, und ein supersymmetrisches Photon mit der Rotation 1/2 (ỹ) gehört zum Photon. Selbst eine minimale, supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells sagt somit eine Vielzahl neuer Partikel voraus.

Als allgemeines theoretisches Konzept kann Supersymmetrie auf unterschiedliche Weise auf bestimmte Modelle angewendet werden. Die supersymmetrische Ausrichtung des Standardmodells mit der geringsten Anzahl neuer Partikel ist das Standard Minimal Supersymmetric Model (MSSM). Das Standardmodell wird um ein weiteres Higgs-Doppel erweitert und jedem Partikel wird ein Superpartner zugewiesen.

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Die Beibehaltung der Baronzahl, einer Quantenzahl, die proportional zur Änderung der Anzahl der Quarks und Anti-Quarks ist, führt zur Stabilität der Protonen im Standardmodell. In supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells werden Prozesse, die die Baronzahl verletzen, nicht unbedingt unterdrückt und können zu einem schnellen Protonenzerfall führen. In MSSM wird der Zerfall von Protonen durch das Postulat einer zusätzlichen Symmetrie – Gleichheit R – unterdrückt. Ihre Erhaltung beeinflusst die Phänomenologie von MSSM: Einerseits können supersymmetrische Teilchen nur paarweise entstehen, andererseits das leichtere Superteilchen -symmetrisch ist stabil und daher ein Kandidat für dunkle Materie. In supersymmetrischen Modellen ohne Aufrechterhaltung der R-Gleichheit bricht das leichtere supersymmetrische Teilchen, was auf andere experimentelle Signaturen hindeutet. In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf die Suche nach Supersymmetrie im Kontext von MSMM.

Wenn die Supersymmetrie korrekt wäre, müsste jedes supimetrische Teilchen die gleiche Masse wie sein Standardmodellpartner haben. Da es bisher nicht möglich war, ein supersymmetrisches Teilchen mit Elektronenmasse experimentell zu testen, kann die Supersymmetrie nur angenähert werden. Daher müssen supersymmetrische Partikel erheblich schwerer sein als ihre Standardmodellgegenstücke. Es ist unklar, welcher Mechanismus die Supersymmetrie aufbrechen kann und auf welchen supersymmetrischen Partikeln im Massenmaßstab gefunden werden kann.

Kann der Nachweis von supersymmetrischen Partikeln mit im LHC nahe der TeV-Skala erreichbaren Energien erfolgreich sein? Insbesondere zwei Aspekte lassen dies plausibel erscheinen: das Problem der Natürlichkeit und die Existenz dunkler Materie.

Im Standardmodell stellen Quantenfluktuationen sicher, dass die Higgs-Masse vom Quadrat einer neuen fundamentalen Energieskala abhängt, beispielsweise der Planck-E-Skala.Planck 10 ≈19 GeV, wo das Standardmodell durch eine Quantentheorie der Schwerkraft ersetzt werden müsste. Viele Physiker betrachten die experimentelle Empfindlichkeit gegenüber M.Higgs = 125 GeV bestimmte die Higgs-Masse in der Physik (unbekannt) in der Nähe der Planck-Skala sehr schwer mit einer Größe, die höher als unnatürlich ist. Das Prinzip der Natürlichkeit durchdringt jede bekannte Physik: Eine Theorie gilt als natürlich, wenn die Naturgesetze physikalische Prozesse in viel größeren Entfernungen oder bei viel niedrigeren Energien in kurzen Entfernungen oder bei höheren Energien nicht beeinflussen . Es ist nicht notwendig zu wissen, wie Quarks in Atomkernen interagieren, wenn es darum geht, die Umlaufbahn des Mondes zu beschreiben.

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Die Supetimetrie modifiziert das Quantenvakuum so, dass die Higgs-Masse in der Nähe der Planck-Skala nicht mehr von unbekannter Physik abhängig ist und natürlich im experimentell beobachteten Bereich bleibt – wenn die Massen der supersymmetrischen Teilchen nahe der TeV-Skala und damit im Prinzip innerhalb der Möglichkeiten von LH liegen . Ob das Problem der Natürlichkeit tatsächlich eine neue Physik im LHC impliziert, ob es eine andere Lösung gibt oder ob es für die Bildung von Theorien völlig irrelevant ist, ist derzeit eine kontroverse Diskussion.

Supersymmetrische Theorien sagen auch die Existenz neutraler, schwach wechselwirkender Teilchen voraus, die in vielen Modellen stabil sind und daher gute Kandidaten für dunkle Materie sind. Aufgrund der Expansion des Universums gefriert die dunkle Materie, die sich unmittelbar nach dem Urknall gebildet hat. Dies führt zu der tatsächlichen Dichte der dunklen Materie, die durch kosmische Hintergrundstrahlung bestimmt wird, wenn sie schlecht wechselwirkt und ihre Masse im TeV-Maßstab liegt.

Supersymmetrie ist ein faszinierendes theoretisches Konzept und hat sich als phänomenologisch attraktives Modell etabliert. Aufgrund der vielen interessanten und manchmal herausfordernden experimentellen Signaturen sind die supersymmetrischen Ergänzungen des Standardmodells ein großartiger Plan für die Erforschung neuer Physik am LHC.

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