Neue Physik jenseits des Standardmodells Large Extra Dimensions

Neue Physik jenseits des Standardmodells Large Extra Dimensions SS 2005 Vortragender: Martin Brodeck

Inhalt • Zusätzliche Raumdimensionen (LXD) – Einführung – Theorie – Gravitationsexperimente – Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern • Ausblicke Neue Physik jenseits des Standardmodells 2/37

Einführung Offene Fragen • Warum ist die Gravitation so schwach? • Haben die Kräfte eine gemeinsame „Ursache“? • Waren die Kräfte im Urknall gleich? – Ist das Universum beim Abkühlen unsymmetrisch geworden? • Ziel: Große Vereinigung inklusive Gravitation Neue Physik jenseits des Standardmodells 3/37

Einführung • Ziel: Vereinigung von Theorien/WW – Maxwell: elektrische und magnetische Kräfte Elektromagnetismus – Einstein: spezielle Relativitätstheorie und Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie – Glashow, Weinberg und Salam: Schwache und elektromagnetische Kraft elektroschwache Theorie – Elektroschwache und starke Kraft: Grand Unification Theorie (GUT)? – Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali 1998: Vereinigung mit der Gravitation? Neue Physik jenseits des Standardmodells 4/37

Zusätzliche Raumdimensionen Idee • Theodor Kaluza führt 1919 neue Raum. Dimensionen ein; er begründet fehlende Anzeichen durch „aufgerollte“ Dimensionen • Oskar Klein veröffentlicht 1926 mathematische Grundlagen zu „kompakten“ Extra-Dimensionen Erste Abschätzung: Größe der Dimensionen < kleinste Wellenlänge beobachteter Photonen Neue Physik jenseits des Standardmodells 5/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in Extra-Dimensionen Integral über geschlossene Oberfläche proportional zur eingeschlossenen Masse Das Gravitationsfeld um eine Punktmasse ist isotrop Definition: Unsere „normale“ Welt (n=0) hat 4 Dimensionen (3 x. Raum + 1 x. Zeit) Stabile Kreisbahn nur für n=0, keine Stabilität bei n>=1 Kein Sonnensystem in höheren Dimensionen möglich! Neue Physik jenseits des Standardmodells 6/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Neuer Ansatz: Die zusätzlichen Dimensionen sind „aufgerollt“ und sehr klein, daher für uns nicht sichtbar! Wir betrachten Gravitationskraft in aufgerollten Dimensionen und benutzen dazu die Bildmethode: Neue Physik jenseits des Standardmodells 7/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in einer aufgerollten Raumdimensionen Summe über alle gespiegelten Massen Abstand der Massen Kompensiert die senkrechten Kraftanteile Neue Physik jenseits des Standardmodells 8/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für mehr als eine Extradimension enthält die Formel einige zusätzliche Summen: Neue Physik jenseits des Standardmodells 9/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitation in aufgerollten Raumdimensionen Für r << R wird der Ausdruck bei i = 0 sehr viel größer als die anderen Terme Für r >> R erhalten wir das newtonsche Gravitationsgesetz: Neue Physik jenseits des Standardmodells 10/37

Zusätzliche Raumdimensionen Die Idee von Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali 1998 veröffentlichten Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali (ADD) einen Artikel in dem die Schwäche der Gravitation durch zusätzliche Raumdimensionen erklärt wird: • Nur Gravitonen können in die zusätzlichen Dimensionen entweichen (bulk) Gravitation sieht für uns schwächer aus als sie ist • Alle Felder des Standardmodells bleiben in unseren 3+1 Dimensionen (brane) Neue Physik jenseits des Standardmodells 11/37

Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Ziel von ADD: Lösung des Hirarchie-Problems m. EW ~ M 4+n Kopplungskonstanten (Stärke einer Wechselwirkung): Stark αs 1 Elektromagnetisch α 1/137 Schwach αW(E) 10 -6 Gravitation αg 10 -39 ~α für hohe Energien Planckmasse Aus Dimensionsbetrachtungen erhält man: Neue Physik jenseits des Standardmodells 12/37

Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell Gravitation in unserer Welt: Neue, verallgemeinerte Kopplungskonstante: Konstante Neue Physik jenseits des Standardmodells 13/37

Zusätzliche Raumdimensionen Das Arkani-Hamed, Dimopoulos und Dvali - Modell n R/m 1 1013 2 10 -3 3 10 -8 4 10 -11 5 10 -13 6 10 -14 Falls es aufgerollte Raumdimensionen gibt, so müssen es mindestens 2 sein. Dieser Ansatz reproduziert unser bisheriges Wissen und lässt gleichzeitig Raum für neue Interpretationen. Neue Physik jenseits des Standardmodells 14/37

Zusätzliche Raumdimensionen Zusammenfassung • „Neues“ Gravitationsgesetz für 4+n Dimensionen • Aufgerollte Dimensionen ermöglichen Erhalt der alten Gesetze mit neuen Interpretationen • ADD beschreiben neues Modell: – Gravitonen verschwinden im bulk Schwäche der Gravitation – Massenskala ~ m. EW – n >= 2 n 1 R/ m 101 103 2 3 3 4 10 - 108 11 5 6 10 - 13 14 Neue Physik jenseits des Standardmodells 15/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente • Schwierigkeiten • Torsionswaagen • Resonanz-Frequenz-Techniken Neue Physik jenseits des Standardmodells 16/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Für r~R kann die Abweichung von der üblichen 1/r 2 -Abhängigkeit gut durch einen Yukawa-Term beschreiben werden. r << R r~R r >> R ~1/r 2+n Yukawa ~1/r 2 Messungen werden in einem solchen Graphen veröffentlicht. Neue Physik jenseits des Standardmodells 17/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Offensichtliches Problem: Schwäche der Gravitationskraft. Wir betrachten die Verkleinerung des Versuchsaufbaus um einen Faktor A: Massen: Abstand: Je A-3 pro Testmasse insgesamt Faktor A-6 Faktor A 2 Insgesamt: Schwächung der Kraft um Faktor A-4 Verkleinerung der Anordnung auf die Hälfte Schwächung der Kraft auf 1/16 Neue Physik jenseits des Standardmodells 18/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Probleme in Gravitationsexperimenten bei sehr kleinen Abständen Problem Lösungsansatz Elektrische und magnetische Untergrundeffekte Elektrische Abschirmung und nicht-magnetische Materialien Akustische und seismische Vibrationen Abschirmung und Dämpfung des Versuchsaufbaus Thermisches Rauschen Gekühlte Systeme Van der Waals – Kräfte Sind extrem klein, werden in der Theorie berücksichtigt Casimir-Kräfte Abschirmende Materialien Neue Physik jenseits des Standardmodells 19/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Casimir – Kräfte 1948 vorausgesagt von Hendrik Casimir Tritt zwischen zwei leitenden Oberflächen auf Vakuum-Fluktuationen erzeugen elektromagnetisches Feld Zwischen den Platten werden einige Schwingungsmoden unterdrückt Es können nur virtuelle Photonen bestimmter Frequenzen entstehen Quantendruck von außen Resultierende anziehende Kraft Nachgewiesen 1958 von Marcus Spaarnay et al. Zwei Metallplatten mit 1 cm 2 Fläche und Abstand 1μm: 10 -7 N Neue Physik jenseits des Standardmodells 20/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit einer Torsionswaage: Cavendish, 1798 University of California, 2000 Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, 2001 1. 5 cm • 1 mm Aluminiumscheibe mit 10 Löchern (Testmasse) • Darunter zwei Platten gleicher Anordnung (Quellmasse) • Rotation der Quellmasse alle zwei Stunden Torsion (optisch Ausgelesen) • Untere Platte dicker und um 18 Grad verdreht [360°/10/2] Normale 1/r 2 Abhängigkeit wird „gelöscht“ • 20 μm Beryllium-Folie zwischen Masse • Dünne Goldschicht auf allen Teilen • Dämpfung Neue Physik jenseits des Standardmodells 21/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Eöt-Wash Gruppe an der University of Washington, 2001 1 cm Messung der Gravitation bei Abständen von ca. 200 μm Ergebnis: Keine anormalen Abweichungen feststellbar Neue Physik jenseits des Standardmodells 22/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken J. C. Price et al. an der University of Colorado, 2003 S. Schiller et al. von der Universität von Düsseldorf, 2001 A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 100 μm x 1 mm 50 μm x 30 μm • 1 mg Gold auf Trägerarm (Testmasse) • Quellmasse aus Silizium mit Goldstreifen • Quellmasse schwingt mit Resonanzfrequenz des Trägers (300 Hz). Resultierende Kraft: Atto-Newton (10 -18 N) • Auslenkung: einige Angstrom, vermessen mit Interferometer • Abmessung Träger: 150 μm lang, 0. 3 μm dick Neue Physik jenseits des Standardmodells 23/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 Neue Physik jenseits des Standardmodells 24/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 • Kühlung des Systems auf 4 K (Flüssig-Helium Kryostat) • Durchführung im Hochvakuum • Mantel des System ist aus Metall Faraday • Casimir-Kraft wird durch 3 μm Nitridfilm abgeschirmt • Besonders wichtig: Abschirmung vom Piezo-Biomorph 35 cm Neue Physik jenseits des Standardmodells 25/37

Zusätzliche Raumdimensionen Gravitationsexperimente im Submillimeterbereich Messung der Gravitationskraft mit Resonanz-Frequenz-Techniken A. Kapitulnik et al. von der Stanford University, 2003 Ergebnisse Neue Physik jenseits des Standardmodells 26/37

Zusätzliche Raumdimensionen Effekte am Tevatron Emission von Gravitonen in Extra-Dimensionen Das Signal: fehlende Transversalenergie zusammen mit einem hochenergetischen Jet. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Veränderung des Wirkungsquerschnittes für Di-Lepton und Di-Photon Produktion Neue Physik jenseits des Standardmodells 27/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Simulation von. Das Gluon erzeugt einen Jet, das Graviton entweicht in die Extra-Dimensionen und wird nicht nachgewiesen. Suche nach Monojets Neue Physik jenseits des Standardmodells 28/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Vorteil: relativ großer Wirkungsquerschnitt Nachteil: Großer Untergrund: Daten aus dem Detektor am Tevatron (gesammelt 1994 – 1996) Kollisionen mit einer integrierten Luminosität von und Wichtigste Trigger: Qualität! Es darf ein zweiter Jet mit ET(j 2) < 50 Ge. V vorhanden sein (ISR und FSR) Events mit einem Myon werden aussortiert (W/Z-Produktion und kosm. Strahlung) Neue Physik jenseits des Standardmodells 29/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Kriterium Ereignisse übrig Qualität (z. B. hot cells) 301325 Isoliertes Myonen Veto 1 (Myonensystem) 296742 141 (falsch gemessen Jets) 129 Kosmische Strahlung 69 Verifizierung des Primär-Vertex (Δz < 10 cm) 39 Isoliertes Myonen Veto 2 (Kaloriemeter) 38 Die erwarteten Events wurden mit PHYTIA Monte Carlo Generator simuliert. Folgende Szenarien wurden untersucht: n = 2. . 7 M 4+n = (600. . 1400) Ge. V Neue Physik jenseits des Standardmodells 30/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Untergrund Ereignisse 21. 0 ± 5. 1 3. 1 ± 0. 7 5. 2 ± 2. 3 QCD und kosm. Effekte 7. 8 ± 7. 1 Gesamter Untergrund 38. 0 ± 9. 6 Daten 38 Keine Bestätigung von ADD in diesem Bereich! Aber… Neue Physik jenseits des Standardmodells 31/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern …neue Grenzen des Modells: Unteres Limit für M 4+n n M 4+n/Te. V 2 0. 89 3 0. 73 4 0. 68 5 0. 64 6 7 0. 63 0. 62 Auch die Experimente am LEP konnten keine Extra. Dimensionen nachweisen Neue Physik jenseits des Standardmodells 32/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Effekte am LEP Direkte Graviton-Emission Das Signal: Größerer Wirkungsquerschnitt für den Annihilationsprozess der Elektronen. Virtueller Gravitonen-Austausch Das Signal: Abweichung von den QED und SM Vorhersagen. Neue Physik jenseits des Standardmodells 33/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Virtueller Gravitonenaustausch Neue Physik wird durch einen Zusatzterm in Wirkungsquerschnitt beschrieben: Neue Physik jenseits des Standardmodells 34/37

Zusätzliche Raumdimensionen Auswirkungen in Teilchenbeschleunigern Ergebnisse des virtuellen Graviton-Austausches Low Scale Gravity Neue Physik jenseits des Standardmodells 35/37

Zusätzliche Raumdimensionen Experimente Zusammenfassung • Direkte Messung der Gravitation konnte für n=2 M 4+n auf mindestens 1, 4 Te. V begrenzen (Torsionswaage und Resonanz-Frequenz-Technik) • n=3 nicht direkt messbar • Effekte von Gravitonemission und virtuellem Gravitonenaustausch müssten an Beschleunigern sichtbar sein • Auswertung der Daten vom Tevatron und LEP kann LXD nicht nachweisen, die neue Planck. Masse M 4+n aber eingrenzen Neue Physik jenseits des Standardmodells 36/37

Ausblicke • Verbesserung der Ergebnisse durch laufenden Betrieb am Tevatron • Auch LHC kann Grenzen festlegen, die Theorie von Extra Dimensions aber nicht wiederlegen • Falls Extra Dimensionen: FG > FEM möglich – Produktion von Micro Black Holes – Nachweis über Hawking-Strahlung – Untersuchung von Schwarzen Löchern Neue Physik jenseits des Standardmodells g g 37/37

Ende Teil 1 Neue Physik jenseits des Standardmodells 38/37