A apresentação está carregando. Por favor, espere

A apresentação está carregando. Por favor, espere

Física para além do Modelo Padrão & Dimensões Extra Pedro Ribeiro, grupo LIP-CMS Colóquio Experiência CMS 30/05/2006.

Apresentações semelhantes


Apresentação em tema: "Física para além do Modelo Padrão & Dimensões Extra Pedro Ribeiro, grupo LIP-CMS Colóquio Experiência CMS 30/05/2006."— Transcrição da apresentação:

1 Física para além do Modelo Padrão & Dimensões Extra Pedro Ribeiro, grupo LIP-CMS Colóquio Experiência CMS 30/05/2006

2 Problemas do Modelo Padrão Existem três factos experimentais que não encontram explicação no Modelo Padrão das Interacções: –Neutrinos têm massa e oscilam (SuperK, 1998) –Cerca de 25 % do Universo é constituído por matéria escura. Esta matéria é essencialmente não-bariónica e não-relativista. A contribuição dos neutrinos é negligenciável. –Cerca de 70% do Universo é constituído por energia escura. Esta energia é similar a uma energia do vácuo, No Modelo Padrão,

3

4 Puzzles Teóricos Valores das massa dos fermiões, acoplamentos e ângulos de mistura –No Modelo Padrão são inputs –Será possível calculá-los numa teoria mais fundamental ? Origem da quebra de simetria electrofraca –Higgs elementar ? Higgs compósito? Outro ? Porquê três famílias de partículas ? –"who ordered muon ?" I.I.Rabi Problemas de ajuste fino –A constante cosmológica –O problema da hierarquia : porquê ? Unificação com a gravidade –O modelo Padrão não incorpora a gravidade. Qual é a teoria que descreve a gravitação quântica ? Teoria de Cordas? –Qual é a escala de energia característica da gravitação quântica ? Será ~ M Planck ~ GeV ?

5 Teorias/modelos candidatas Supersimetria Teorias de Grande Unificação (GUT) Dimensões Extra Technicolor Little Higgs Leptoquarks Compositness SuperCordas... Física para além do Modelo Padrão Tópicos de análise em CMS (Maio 2006) ???

6 Qual é a escala de energia da Física para além do MP ? A que escala de energia o MP deixa de ser válido? Existem argumentos teóricos que indicam que a escala ~ TeV Unitariedade Naturalidade ( ausência de ajuste fino dos parâmetros) O Modelo Padrão (MP) é uma teoria efectiva, válida até uma escala de energia, a partir da qual é substituída por uma teoria mais fundamental

7 Unitariedade Na Teoria de Fermi, a interacção fraca é descrita como uma interacção de contacto entre 4 fermiões. Teoria válida a baixas energias ne p G O paradigma da Teoria de Fermi das interacções fracas ex: decaímento [M -2 ] [M -4 ] [M 2 ] para ~ 300 GeV a unitariedade é violada (probabilidade de interacção > 1) em 1ª ordem de Teoria de Perturbações Ordens superiores de T.P. resolvem o problema ? Não! De facto, a divergência aumenta ! Argumento dimensional : G F têm dimensões de M -2 Em T.Q.C a teoria diz-se não renormalizável e G e e e e

8 Solução: a interacção não é de contacto, é transmitida por um bosão massivo W e e W e G e Amplitude do propagador Para grande s Halzen & Martin, p.342 Nota: Em T.C.Q o propagador de um bosão massivo é da forma a parte longitudinal do propagador diverge é necessário um mecanismo que "dê" massa ao bosão sem destruir a transversalidade do propagador Bosão W foi detectado no CERN em 1983 !

9 Contudo a introdução do Bosão W também causa problemas Este processo também viola a unitariedade a altas energias aniquilação electrão-positrão Solução : o mesmo processo pode ocorrer através da mediação de um bosão Z as divergências dos dois diagramas cancelam-se Bosão Z também foi detectado no CERN em 1983 ! Outra solução seria a introdução de um novo leptão pesado, como no mecanismo de GIM Mas esta possibilidade foi experimentalmente desfavorecida Teoria de Unificação ElectroFraca GWS (1968) previa a existência de 4 bosões:

10 Mas, para W W W W scattering a unitariedade é também violada a altas energias Solução: introduzem-se novos diagramas que cancelam as divergências bosão de Higgs ! Ainda não descoberto

11 Contudo, para que nestes processos a unitariedade não seja violada a energias >> m W,m H massa do Higgs < 1 TeV Inversamente se o Higgs não existir, a unitariedade é violada para energias > 1-2 TeV Possibilidades a ~ 1 TeV I. O Higgs elementar escalar existe II. O Higgs não existe, e nova física que desempenha papel semelhante ao Higgs revela-se a energias ~ 1 TeV para repor a unitariedade Technicolor, Dimensões Extra, Little Higgs ? III. Ordens superiores de T. P. são dominantes Teoria Não Perturbativa As experiências do LHC darão a resposta !!! hep-ph/ Cálculo em 1ª ordem de Teoria de Perturbações

12 Naturalidade Outros constrangimentos teóricos (trivialidade, estabilidade do vácuo) e limites experimentais indicam que a massa do Higgs do MP < 1 TeV, O(100 GeV) Contudo a massa do Higgs é muito sensível a correcções radiativas : + + o integral é truncado para p >~ escala de energia a partir da qual o MP deixa de ser válido Potencial do Higgs no MP auto-interacção quark top virtual

13 escala de energia a partir da qual o MP deixa de ser válido Qual é o valor de ? O Modelo Padrão não inclui a gravidade. Esta descrição é certamente válida para energias ~ O (100) GeV porque a gravidade é extremamente fraca: Para E ~ M Planck, gravidade e interacções fracas tornam-se comparáveis, logo ~ M Planck Para que seja O(100) GeV ~ ajuste extraordinariamente fino dos parâmetros ! A massa natural do Higgs é ~ ! Eventualmente, > 10 2 GeV

14 Possibilidades a ~ TeV Unitariedade + Naturalidade I. O Higgs elementar escalar existe a) ajuste fino dos parâmetros Não é necessária nova Física a E ~ TeV b) ajuste fino dos parâmetros nova Física a E ~ TeV II. O Higgs não existe, e nova física que desempenha papel semelhante ao Higgs revela-se a energias ~ 1 TeV para repôr a unitariedade Technicolor, Dimensões Extra, Little Higgs ? III. Ordens superiores de T. P. são dominantes Teoria Não Perturbativa As experiências do LHC darão a resposta !!! Duas Soluções possíveis: Existe ajuste-fino (altamente impopular entre os físicos teóricos ) ~ TeV O MP é substituído por uma teoria mais fundamental a E ~ TeV.

15 Massas naturalmente pequenas Simetria Fermião: electrão + positrão limite respeita a simetria quiral Fotão: simetria de gauge termo de massanão é invariante simetria U(1)

16 Supersimetria (SUSY) Supersimetria é uma simetria cujo gerador Q transforma estados bosónicos em fermiónicos e vice-versa. Sob transformações supersimétricas: Outras raízes "problemáticas": Energia negativa ??? Números imaginários ??? Bosão / Fermião Translação Prop. intrínseca da partícula Prop. do espaço-tempo

17 partícula ( spin = J) SUSY super-partícula (spin = J 1/2) Supersimetria estabelece uma conexão entre bosões (interacções) e fermiões (matéria )

18 Modelo Padrão Supersimétrico

19 topstop fermião bosão Solução Supersimétrica para o problema do ajuste fino de M Higgs Supersimetria garante que Correcções radiativas fermiónicas e bosónicas cancelam-se!

20 É necessário um ajuste fino entre a massa "nua" e a auto-energia de Couloumb para explicar a massa observada do electrão A solução foi dada pela MQ+relatividade. Existe antimatéria. As flutuações quânticas do vácuo criam pares electrão-positrão. A interacção com o positrão compensa a auto-energia de Couloumb. Analogia com o problema da auto-energia do electrão O electrão sofre a acção repulsiva do seu próprio campo de Couloumb !!! Antimatéria duplicação do # partículas partícula elementar com "pequena" massa

21 O problema de ajuste fino da massa Higgs no MP é de natureza semelhante O Higgs interage com ele próprio e com outras partículas (loops de partículas virt.) Estas interacções fazem com que m Higgs natural >> m Higgs esperada Introduzindo supersimetria no MP Supermatéria duplicação do # partículas m Higgs << M Planck H = bosão de Higgs (J=0) SUSY = fermião de Higgs (J =1/2) massa do fermião é << porque é "protegida" pela simetria quiral Através da supersimetria, a massa do Higgs também é protegida !!! Massas naturalmente pequenas Simetria Murayama, hep-ph/ Previsão m Higgs <~ 150 GeV

22 A partícula supersimétrica mais leve (LSP) é estável. Este LSP é geralmente neutro. Excelente candidato a constituinte da matéria escura fria Em colisões a partículas supersimétricas são produzidas e aniquiladas aos pares Matéria escura SUSY possibilita a existência de interacções que conduzem ao decaímento rápido do protão Para evitar este problema, introduz-se uma nova simetria: Paridade-R P R = +1 for partículas do MP P R = -1 para partículas supersimétricas permitido pela invariância de gauge e supersimetria proibido pela paridade-R

23 Unificação dos acoplamentos de gauge Modelo Padrão +SUSY g 2 (E) Com SUSY, os acoplamentos unificam-se a E~M GUT ~10 16 GeV Martin, 1997 E.M & interacções fracas interacções fortes

24 Quebra de Supersimetria se a supersimetria fosse uma simetria exacta mas experimentalmente Supersimetria tem que ser suavemente quebrada isto é, sem reintroduzir divergências quadráticas Para que m Higgs seja natural, as superpartículas devem ter massa ~ TeV Existem vários modelos de quebra suave de supersimetria Geralmente a quebra de supersimetria ocorre num sector escondido e é transmitida ao sector visível do MP por partículas ou interacções mediadoras SUGRA mediação por gravidade GMSB mediação por interacções de gauge

25 ? Consequências para a escala de energias testada em colisionadores ? (LHC = GeV) ~1980 – Teoria de Super-Cordas espaço-tempo com 10 dimensões escala de compactificação ~ M Planck ~10 19 GeV Dimensões Extra ~1920 – T.Kaluza e O.Klein procuram unificar a Relatividade Geral e o Electromagnetismo, postulando a existência de uma 5ª dimensão compacta e pequena ~1990 – Surgem modelos em que a escala de compactificação ~ TeV (ou menor) Fenomenologias que podem ser testadas directamente em experiências de física de altas energias

26 Dimensões Extra A física de dimensões extra (ED) representa um novo paradigma que tem sido utilizado para abordar várias questões –o problema da hierarquia (hep-ph/ ) –quebra de simetria electrofraca sem um bosão de Higgs (hep-ph/ ) –geração da hierarquia de massa de fermiões e da matriz CKM (hep-ph/ ) –Grande Unificação a ~ TeV, ou unificação sem SUSY (hep-ph/ ) –novos candidatos a matéria escura (hep-ph/ ) –problema da constante cosmológica (hep-th/ ) –.... Existem muito modelos, cada um apresentando solução para um subconjunto dos tópicos acima mencionados Os modelos de ED são teorias efectivas, válidas até E~ –Não está demonstrado que sejam realizações a baixa energia de uma teoria mais fundamental (Teoria de Cordas)

27 Estados de Kaluza-Klein (KK) Considere-se o espaço tempo ordinário 3+1 dimensional com a adição de uma quinta dimensão que é uma circunferência de raio R. Considere-se ainda um campo escalar livre sem massa que se propaga nas 5 dimensões. A cada campo que se propague nas dimensões suplementares corresponde, do ponto de vista 4 D, uma torre infinita de modos de KK massivos O momento da quinta dimensão (circunferência ) é quantificado (como na M.Q.) Invariância de Lorentz em 5D para uma partícula sem massa: Comparando com a relação 4D para partículas com massa 5ª dimensão é de tipo espaço taquiões

28 Modelos de Dimensões Extra Large Extra Dimensions (ED) Arkani, Dimopoulos & Dvali ( modelo ADD ) (T. Arkani-Hamed et al. Phys. Lett. B 429 (1998)) bulk 4+ D TeV -1 -sized ED (I.Antoniadis, Phys. Lett. B246, 377 (1990) ) Universal Extra Dimensions (UED) (T. Appelquist et al. Phys. Rev. D 64, (2001)) Parâmetros do modelo M h (massa bosão de Higgs ) R (escala de compactificação ) (escala de cutoff) (nº de dimensões suplementares) G SM Fermions & gauge bosons G & Gauge BosonsG & Gauge Bosons & SM Fermions TODOS OS CAMPOS NO BULK!!!! 3D BRANE dimensões compactas Randall – Sundrum model (RS) (L. Randall and R.Sundrum, Phys.Rev.Lett.83,3370 (1999)) métrica não factorizável

29 Campo gravítico em D dimensões espaciais massa pontual M em D dimensões infinitas... massa pontual M em D dimensões infinitas e dimensões compactas Exemplo : 2 dimensões infinitas (x 1,x 2 ) e 1 dimensão compacta (x 3 ) de raio R A dimensão é compactificada fazendo a identificação x 3 ~ x 3 + n2 R imagens da massa M dispostas periodicamente 2 R Para r<> R

30 Problema da Hierarquia Porque é que ? Porque é que M Planck >> Fermi ? A massa natural do Higgs é ~ M Planck >> 1 TeV Modelo ADD M Planck não é um grandeza fundamental. A gravidade propaga-se em 4+ dimensões Para = 2 e R~0.1mm, M Planck(6) ~ 1 TEV ! ! Experimentalmente, gravidade é newtoniana para r >~ 0.1mm ! Do ponto de vista 4-D, gravidade é fraca porque é diluída nas dimensões extra com grande volume ( >> cm) A massa natural do Higgs é ~ M Planck ~ 1 TeV Como m KK ~1/R~ 10-4 eV, os campos do MP não se podem propagar nas dimensões extra estando confinados numa membrana 3D

31 Novos candidatos a matéria escura Modelo UED Compactificação assimétrica - 1 dimensão extra, pequena (~TeV), onde todos os campos do MP se propagam - dimensões extra, grandes, onde apenas a gravidade se propaga a massa de Planck fundamental pode ser ~ TeV, se R for suficientemente grande todos os campos do MP tem excitações de KK com m ~ n/r as excitações de KK em 4D têm o mesmo spin que o estado fundamental (MP) supersimetria Existe uma simetria discreta, reminiscente da simetria de translação ao longo da dimensão compacta "universal" paridade de KK = (-1) n, análoga à paridade-R A excitação mais leve (LKP) é estável candidato a matéria escura Estados do 1º nível de KK têm que ser produzidos em pares

32 Unificação dos acoplamentos de gauge hep-ph/ Supersimetria e Dimensões Extra não são teorias mutuamente exclusivas Teoria de Cordas exige ambas Unificação dos acoplamentos de gauge em ED+Supersimetria:

33 Conclusões O Modelo Padrão não é a teoria fundamental que descreve todas as interacções da natureza Argumentos de Unitariedade e Naturalidade implicam que a escala de nova física ~ TeV Supersimetria e Dimensões Extra apresentam soluções para muitos dos problemas do MP LHC desempenhará um papel fundamental na pesquisa de nova Física


Carregar ppt "Física para além do Modelo Padrão & Dimensões Extra Pedro Ribeiro, grupo LIP-CMS Colóquio Experiência CMS 30/05/2006."

Apresentações semelhantes


Anúncios Google