Supersymmetri
– en ny värld av partiklar att upptäcka
Supersymmetri
Johan Rathsman
Johan Rathsman, Lunds Universitet
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
NMT-dagar, Lund, 2014-03-10
Experiment
Avslutning
1
Symmetrier i fysik
2
Elementarpartiklar och krafter
3
Supersymmetriska partiklar och krafter
4
Experiment på jakt efter nya partiklar
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Newtons 2:a lag
Supersymmetri
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Symmetrier i fysik
Newtons andra lag
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Newtons 2:a lag
Supersymmetri
F =ma
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
densamma oavsett position, tid och hastighet eller?
Newtons andra lag, förbättrad
Vid höga hastigheter ökar den effektiva massan (Einstein)
Supersymmetri
Johan Rathsman
F =q
Symmetrier
Newtons 2:a lag
Supersymmetri
m
1−
v2
c2
a
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
q
inget kan röra sig fortare än ljuset (a = 1 −
v2 F
)
c2 m
gäller oavsett position, tid och hastighet!
Poincaré-invarians
Så vitt vi vet måsta alla fysikaliska teorier ha en sådan
“rumtids”-symmetri
Supersymmetri
Utvidgar Poincaré-symmetrin med en “spegel”-symmetri
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Newtons 2:a lag
Supersymmetri
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
varje elementarpartikel har en supersymmetrisk partner
varför?
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Elementarpartiklar och
krafter
Elementarpartiklar – materiens minsta byggstenar
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
“All” materia består av kvarkar och elektroner
Naturens krafter – håller materian samman
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Elementarpartikelfysikens standardmodell
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Beskriver materien och de elektromagnetiska, starka och
svaga krafterna i detalj (men inte gravitation)
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Higgs-partikeln –
den sista pusselbiten
4:e juli 2012 - en historisk dag på många sätt. . .
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
4:e juli 2012 - en historisk dag på många sätt. . .
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
4:e juli 2012 - en historisk dag på många sätt. . .
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
4:e juli 2012 - en historisk dag på många sätt. . .
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Nu också i partikelfysikens värld
4:e juli 2012 - en historisk dag på många sätt. . .
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Nu också i partikelfysikens värld
Nyheten spreds som en löpeld över världen
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
till och med på ekonomisidorna
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
och publicerades i en ledande tidskrift
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Klar signal från pp → H → ZZ ∗ → µ+ µ− µ+ µ−
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Observation av Higgspartikeln vid LHC
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
kandidathändelse för pp → H → ZZ ∗ → µ+ µ− µ+ µ−
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Var det allt?
Problem med Standardmodellen
1
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa
Problem med Standardmodellen
1
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
Problem med Standardmodellen
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
1
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
2
Men varför har partiklar så olika massa?
mν < 0.000 000 001 GeV/c2
me = 0.000 511 GeV/c2
mt = 172 GeV/c2
mW = 80.2 GeV/c2
mHiggs = 126 GeV/c2
Problem med Standardmodellen
Supersymmetri
1
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
2
Men varför har partiklar så olika massa?
Johan Rathsman
mν < 0.000 000 001 GeV/c2
me = 0.000 511 GeV/c2
mt = 172 GeV/c2
mW = 80.2 GeV/c2
mHiggs = 126 GeV/c2
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
3
Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?
Problem med Standardmodellen
Supersymmetri
1
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
2
Men varför har partiklar så olika massa?
Johan Rathsman
mν < 0.000 000 001 GeV/c2
me = 0.000 511 GeV/c2
mt = 172 GeV/c2
mW = 80.2 GeV/c2
mHiggs = 126 GeV/c2
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
3
Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?
4
Varför har protonen och elektronen lika stor laddning?
Experiment
Avslutning
Problem med Standardmodellen
Supersymmetri
1
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
2
Men varför har partiklar så olika massa?
Johan Rathsman
mν < 0.000 000 001 GeV/c2
me = 0.000 511 GeV/c2
mt = 172 GeV/c2
mW = 80.2 GeV/c2
mHiggs = 126 GeV/c2
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
3
Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?
4
Varför har protonen och elektronen lika stor laddning?
5
Varifrån kommer den mörka materien?
Experiment
Avslutning
Problem med Standardmodellen
Supersymmetri
1
Utan Higgs-partikeln är alla partiklar masslösa – fixat
2
Men varför har partiklar så olika massa?
Johan Rathsman
mν < 0.000 000 001 GeV/c2
me = 0.000 511 GeV/c2
mt = 172 GeV/c2
mW = 80.2 GeV/c2
mHiggs = 126 GeV/c2
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
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?
Experiment
Avslutning
Problem med Standardmodellen
Varför är Higgspartikeln mycket lättare än Planckmassan?
(den skala där gravitationen är lika stark som övriga krafter)
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Materiens byggstenar
Naturens krafter
Standardmodellen
Higgs-partikeln
SM problem
Supersymmetri
Experiment
Avslutning
Kvantmekaniska beräkningar i standardmodellen förutsäger
mHiggs ∼ mPlanck ∼ 10 000 000 000 000 000 000 GeV/c2
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Partiklar och krafter
Higgspartikelns
massa
Antipartiklar
Experiment
Avslutning
Supersymmetriska partiklar
och krafter
Supersymmetriska partiklar och krafter
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Partiklar och krafter
Higgspartikelns
massa
Antipartiklar
Experiment
Avslutning
varje partikel har en supersymmetrisk partner
Higgspartikelns massa med supersymmetri
Om supersymmetrin är exakt förvinner alla kvantmekaniska
korrektioner till Higgspartikelns massa
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
+
=0
Supersymmetri
Partiklar och krafter
Higgspartikelns
massa
Antipartiklar
Experiment
Avslutning
Supersymmetrin förutsa att mHiggs < 140 GeV/c2
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
Antipartiklar
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Partiklar och krafter
Higgspartikelns
massa
Antipartiklar
Experiment
Avslutning
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)
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Experiment på jakt efter nya
partiklar
Elementarpartikelfysikcentret CERN
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
100 m under marken finns LHC tunneln med omkrets 27 km
LHC tunneln
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Hela ringen är fylld med 1232 supraledande magneter
nedkylda med flytande helium till 1.9 grader över absoluta
nollpunkten – kallare än i yttre rymden
LHC magneter
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Magneterna böjer strålar med protoner så att de kan
cirkulera i tunneln – en stråle i vardera riktning
LHC experimenten
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
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
ATLAS-experimentet ovan jord
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
ATLAS magneter
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
ATLAS detektorn är 20 meter hög och 40 meter lång
ATLAS detektorn
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Hela volymen är fylld av olika detektordelar
Mitt i detektorn kolliderar protoner som kommer in från
varsitt håll med 99.99999 procent av ljushastigheten
I protonkollisionen kan nya partiklar produceras
ATLAS bakgrund
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Men för det mesta kommer bara kvarkar att produceras
ATLAS signal för en supersymmetrisk partikel
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Supersymmetriska 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
ATLAS gränser på supersymmetriska modeller
Supersymmetri
Johan Rathsman
Symmetrier
Elementarpartiklar
Supersymmetri
Experiment
CERN
LHC tunneln
LHC magneter
LHC experimenten
ATLAS
ATLAS magneter
ATLAS detektorn
ATLAS bakgrund
ATLAS signal
ATLAS gränser
Avslutning
Ännu inga signaler
Avslutning
Supersymmetri
Frågor för LHC
Symmetrier
Varför är Higgspartikeln så lätt jämfört med
Planckmassan?
Elementarpartiklar
Finns det supersymmetriska partiklar?
Johan Rathsman
Supersymmetri
Experiment
Består mörk materia av den lättaste supersymmetriska
partikeln?
Avslutning
Finns det fler krafter eller förenas all krafter vid hög
energi i en “urkraft”?
Finns det fler rumsdimensioner?
LHC fortsätter utforskandet i april 2015
