Güncel sorunlar ve çözüm arayışı - indico.cern.ch · 4 En büyükleri anlamak için en...

1

GüncelsorunlarveçözümarayışıG.Ünel

CERNTürkÖğretmenlerÇalıştayı8Ocak2018

?

BüyükPatlama’danhemensonraevrenimizbirparçacıkkadarküçüktü.

2

…veevrenimizingelişimiparçacıklarlaveonlarınetkileşimiyledoğrudanbağlantılıdır. 3

4

Enbüyüklerianlamakiçinenküçüğüçalışmak

18081911

çekirdek

1918(1932)1964

1897Temelparçacık

Temelparçacık(Dalton)

A New System of Chemical Philosophy

STANDARTMODELtemelparçacıklarveetkileşimlerhakkındakibütünbilgimiziiçerenbirkuramlarbütünüdür.

▪ Herkuarktan3renk.

▪ Herparçacıkiçinbirkarşıparçacık

▪ Etkileşimlerkuvvettaşıyıcıparçacıklarlayönlendirilirler

▪ Toplamda60parçacık (LHCöncesinde)

5

StandartModeldoğrudur,ancakeksiklerivardır.

B o s o n l a r

foton

0 γ10

Z bosonu

91.2 GeV/c2

Z10

gluon

0 g10

W bosonu

80.4 GeV/c2

W±1±1

Higgs bosonu

125.1 GeV/c2

Ho00

yukarı

2.4 MeV/c2

u½⅔

aşağı

4.8 MeV/c2

d½-⅓

elektron nötrino

<2.0 eV/c2

νe½0

elektron

0.511 MeV/c2

e½-1

tılsım

1.27 GeV/c2

c½⅔

acayip

104 MeV/c2

s½-⅓

müon nötrino

<0.19 MeV/c2

νμ½0

müon

105.7 MeV/c2

μ½-1

üst

173.3 GeV/c2

t½⅔

alt

4.2 GeV/c2

b½-⅓

tau nötrino

<18.2 MeV/c2

ντ½0

tau

1.777 GeV/c2

τ½-1Le

pton

lar

1. aile 2. aile 3. aile

kütle➝yük➝

dönü➝

isim➝

Kuarklar

F e r m i y o n l a r

6ψ φ Α W

SM içeriği7

‣Fermionlar: madde parçacığı•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zaman

ψ

φψψ

SU(3)×SU(2)×U(1)

https://www.nikhef.nl/pub/theory/academiclectures/bs06_one.pdf

8

YaSMileuyuşmayanbeklenmedikbirgözlemyapacağızvegözlemegöre

yenibirkuramoluşturacağız…

YadaSMineksiklerindençıkıpyenikuramlar

bularakonlarınizleriniaraştıracağız.

StandartModeldoğrudur–doğruluğudeneylercekanıtlandı.AncakSMeksiktir.Açıklayamadığışeylervardır.

Dünyadüzdür. Dünyayuvarlaktır.

Bakışaçımızıgenişletmemizgerekiyor.BukonudaStandartModel’ineksikleribizeyardımcıolacak!

9

SM içeriği10

‣SM en son kuram olamaz:• Hierarchy sorunu: δH ~ MH• EZ ve Güçlü kuvvetler birleşmiyor• Gelişigüzel fermion kütleleri & karışımları• Gelişigüzel aile sayısı• Bilinmeyen baryon çıkış kaynağı

‣Fermionlar: madde parçacığı•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zaman

SMeksikleri:Kütlesorunu

11

• Parçacıklarakütlesiniverennedir?

• Nedenfarklıparçacıklarfarklıkütleleresahiptirler?

Çözüm:

foton

0 γ10

Z bosonu

91.2 GeV/c2

Z10

gluon

0 g10

W bosonu

80.4 GeV/c2

W±1±1

Higgs bosonu

125.1 GeV/c2

Ho00

Bosonla

r

yukarı

2.4 MeV/c2

u½⅔

aşağı

4.8 MeV/c2

d½-⅓

elektron nötrino

<2.0 eV/c2

νe½0

elektron

0.511 MeV/c2

e½-1

tılsım

1.27 GeV/c2

c½⅔

acayip

104 MeV/c2

s½-⅓

müon nötrino

<0.19 MeV/c2

νμ½0

müon

105.7 MeV/c2

μ½-1

üst

173.3 GeV/c2

t½⅔

alt

4.2 GeV/c2

b½-⅓

tau nötrino

<18.2 MeV/c2

ντ½0

tau

1.777 GeV/c2

τ½-1Le

pton

lar

1. aile 2. aile 3. aile

kütle➝yük➝

dönü➝

isim➝

Kuarklar

Ferm

iyonla

r

e:0.5…………………..t:173300MeV

SMeksikleri:Çeşnisorunu

Nedenherşeyiaynı,ancaksadecekütlelerifarklıolan3parçacıkailesivardır?

12

yukarı

2.4 MeV/c2

u½⅔

aşağı

4.8 MeV/c2

d½-⅓

elektron nötrino

<2.0 eV/c2

νe½0

elektron

0.511 MeV/c2

e½-1

tılsım

1.27 GeV/c2

c½⅔

acayip

104 MeV/c2

s½-⅓

müon nötrino

<0.19 MeV/c2

νμ½0

müon

105.7 MeV/c2

μ½-1

üst

173.3 GeV/c2

t½⅔

alt

4.2 GeV/c2

b½-⅓

tau nötrino

<18.2 MeV/c2

ντ½0

tau

1.777 GeV/c2

τ½-1Le

pton

lar

1. aile 2. aile 3. aile

kütle➝yük➝

dönü➝

isim➝

Kuarklar

Ferm

iyonla

r

3?

SMeksikleri:Kuvvetlerfarklılığı

Elektromanyetik

Zayıf

Güçlü

Kütleçekim

13

Nedenkütleçekimkuvvetidiğerlerindenfarklıdır?Tümkuvvetlerianlatacakolanbirleşiktekkuramnedir?

ElektroZayıfelektromanyetizmadan1040kadargüçsüz.

SU(3)×SU(2)×U(1)

SMeksikleri:Madde-karşımaddeasimetrisi

Kalanmaddebizlerioluşturdu.

Evreninbaşlangıcındamaddevekarşımaddeeşitmiktarlardaüretilmişlerdi.Fakatdahasonramaddeninkarşımaddeyetercih

edilmesinisaplayanbirolaygerçeklesti.Sonramaddevekarşımaddebirbiriniyoketti.Geriyebirazmaddekaldı.

Neden?

14

SMeksikleri:Karanlıkmaddevekaranlıkenerjinedir?Nedenyapılmışlardır?

Evreniniçeriği:

%4.9görünenmadde

%26.8karanlıkmadde

%68.3karanlıkenerji

15

SMeksikleri:Karanlıkmadde

Karanlıkmaddeninvarolduğunadairdolaylıdeneyselkanıtasahibiz,ancakkaranlıkmaddenindoğasınıhenüzbilmiyoruz.Karanlıkmaddebüyükolasılıklaparçacıklardanoluşmaktadır.

16

SMeksikleri:Karanlıkenerji

Karanlıkenerjievrendekivakumlabağlantılıbirenerjiformudur.Evrendehomojenolarakdağılmıştırveevreninivmelenerekgenişlemesindensorumludur.

17

Neyapıyoruz?

• StandartModel’Ikapsayan,ancakeksiklerinedetamamlayıcıçözümlerönerenyenifizikkuramlarıoluşturuyoruz.

• Bukuramlarçoğunluklaşunlarıöngörüyor:

• yeniparçacıklarınvarlığını

• bilinenparçacıklarınyenidavranışlarını

• ÖngörülenparçacıklarıBHÇverilerindearıyoruz.

18

SorunlarveÇözümadaylarıÇeşnisorunu

3kuvvetinbirleşmesi

Yerçekiminingüçsüzlüğü

4kuvvetinbirleşmesi

madde-karşıtmaddeasimetrisi

karanlıkmaddesorunu

karanlıkenerjisorunu 19

Süpersimetri

Süpersimetri

Süpersimetri

EkBoyutlar

BBK

BBK

SicimKuramı

BBK

BBK

Süpersimetri

P5’den 5 ayaklı plan1. Higgs bosonunu yeni bir keşif gereci olarak kullanmak

2. Nötrino kütlesinin ardındaki fiziğe bakmak

3. Karanlık maddenin fiziğine bakmak

4. Karanlık enerji ve şişmeyi (enflasyon) anlamak

5. Yeni parçacıkları, etkileşimleri ve fizik ilkelerini bulmak

20

particlephysicsprojectprioritizationpanel

3-cepheli bilim savaşı

Önce buraya bakalım…

21

Olağan MaddeKaranlık MaddeKaranlık Enerji

‣Fermionlar: madde parçacığı•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zamanRS

modelleriADD

modelleri

DinamikBakışım Kırılması

Teknirenk

bileşik modeller

4. Aile

BBK

Ayar Kümesi K

Küçük Higgs

2HÇM

yeni ayar bosonları

yeni EZBK yöntemleriyeni sayıllar

yeni boyutlar

Üst

ün B

akış

ım -

Süp

ersi

met

ri

yeni bileşenler

lepto-kuvarklaryeni leptonlaryeni kuvarklar

22

SM’den SM ötesine

RS modelleri

ADD modelleri

DinamikBakışım Kırılması

Teknirenk

bileşik modeller

4. Aile

BBK

Ayar Kümesi K

Küçük Higgs

2HÇM

yeni ayar bosonları

yeni EZBK yöntemleriyeni sayıllar

yeni boyutlar

Üst

ün B

akış

ım -

Süp

ersi

met

ri

yeni bileşenler

lepto-kuvarklaryeni leptonlaryeni kuvarklar

23

SM’den SM ötesine‣Fermionlar: madde parçacığı

•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zaman

‣Fermionlar: madde parçacığı•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zamanRS

modelleriADD

modelleri

DinamikBakışım Kırılması

Teknirenk

bileşik modeller

4. Aile

BBK

Ayar Kümesi K

Küçük Higgs

2HÇM

yeni ayar bosonları

yeni EZBK yöntemleriyeni sayıllar

yeni boyutlar

Üst

ün B

akış

ım -

Süp

ersi

met

ri

yeni bileşenler

lepto-kuvarklaryeni leptonlaryeni kuvarklar

24

SM’den SM ötesine

‣Fermionlar: madde parçacığı•Kuvarklar & Leptonlar

‣Ayar kümesi yapısı•ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar

‣EZ Bakışım Kırılması•Higgs bosonu ile kütle kazanımı

‣3+1 uzay-zamanRS

modelleriADD

modelleri

DinamikBakışım Kırılması

Teknirenk

bileşik modeller

4. Aile

BBK

Ayar Kümesi K

Küçük Higgs

2HÇM

yeni ayar bosonları

yeni EZBK yöntemleriyeni sayıllar

yeni boyutlar

Üst

ün B

akış

ım -

Süp

ersi

met

ri

yeni bileşenler

lepto-kuvarklaryeni leptonlaryeni kuvarklar

25

SM’den SM ötesine

Adaykuram:Süpersimetri

26

Süpersimetri(SUSY)fermionlarvebozonlararasında–yadamaddevekuvvetarasındabirsimetridir.Yeniparçacıklarınvarlığınıöngörür.BilinenherSMparçacıkiçinspinifarklıvedahaağırbirs(üper)parçacıkbulunduğunusöyler.

Adaykuram:EkboyutlarUzayda3tenfazlaboyutolabilir.Ekboyutlarküçükvekıvrılmışolabilirler.Butürboyutlarınvarlığıparçacıklarınetkileşimlerinideğiştirebilir.

27

Meselaekboyutlarıniçerisinegirildiğindekütleçekimkuvvetiartar.

‣Geniş Ek Boyutlar (GEB, ADD): - tıkızlanmış, düz

- MPl2 ~ Rn MS2+n, MS: sicim ölçeği

- Graviton yığında (bulk)

‣TeV-1 Ek Boyutlar (DDG): - MT : tıkızlanma ölçeği

- Ayar & Higgs bosonlar da yığında

‣Bükük Ek Boyutlar (RS): - 2-zarlı çözüm : RS tür1

- k/MPl, k: eğrilme, bükülme çarpanı

- dar 2dönülü tınlaşımlar: Graviton

‣Evrensel Ek Boyutlar (UED): - KK-sayısı korunumu

- MT ve kesim ölçeği Λ

- Bütün SM parçıklar yığında

- Bir çok KK spectra (ÜSBA beklentileri gibi)

bazı EB kavramları

Dienes, Dudas, Gherghetta Nucl Phys B537 (99)

Randall, Sundrum Phys Rev Lett 83 (99)

Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali Phys Lett B429 (98)

Appelquist, Cheng, Dobrescu Phys. Rev. D 64 (01)

Bulk (y)

TeV

Planck

Gab,n, MC, R : model parameters

29

Elektrik

Manyetik

Işık 1861Elektromanyetizma

NötrinoEtkileşimi

BetaBozunumu

1930

1900

Proton1815

Piyon

Nötron1932

1947

1687EvrenselÇekimGöksel

~1500

Mekanik~1600

1915GenelGörecelik

Uzay-Zaman~1850

2???HerşeyinKuramı

1968ElektroZayıfEtkileşimler

~100GeV

1933ZayıfEtkileşim~1MeV 197x

StandartModel

~TeV1961GüçlüEtkileşim~10GeV

2???BüyükBirleşikKuram

???on 20??

F i z i k t e K u r a m l a r ı n B i r l e ş m e s i

Adaykuram:BüyükBirleşmeKuramıGözlemlediğimizElektroZayıfveGüçlükuvvetleraynıkuvvetinfarklıbakışaçılarınagöreizdüşümleriolabilir.

30

SM,dahayüksekenerjideortayaçıkacakolanbüyükbirkuramındüşükenerjidekihalimi?

Leptonsayısını4QCDrengiolarakdüşünebilirmiyiz?patti-salam1975

BukuramE6birleşimiolabilirmi?gürsey1976

Yenifermiyonvebozonlar

31

LHC’deyenifizikarıyoruz…amaufakbirsorunvar:

Birçokolasıadaydanhangisidoğru?

32

LHC’deyenifiziknasılararız?• Adaykuramdanbağımsızaramalar:

• ÖncelikleSMninbaskınolduğusondurumlardaölçümleryaparakSMidoğrularız.VerideSMöngörüsünegörebirfarkolupolmadığınabakarız.Şimdiyekadarfarkgörmedik.

• ÇoksayıdafarklısondurumaaynıandakabacabakarızveSMdenbirfarklılıkararız.

• Adaykuramabağlıaramalar:• Yenifizikkuramlarıarasındansevdiğimizbirinialırız.• Adaykuramıngenelkarakteristiklerinibelirleriz,vebukarakteristikler

arasındaSMdenayırtediciolanlarıbuluruz.• BHÇverilerıarasındanbukarakteristikleresahipolanolaylarıseçeriz.• SeçimdenkaçtaneSMolaygeçmişolabileceğinihesaplarız.• HesaplananSMmiktarınıseçilmişverilerlekarşılaştırırızvefarkçıksındiye

umutederiz.• Eğerfarkçıkarsadeğişikkanallardaölçümyaparakyeniparçacığıtanımaya

çalışırız.• Eğerfarkçıkmazsaveridefazlalıköngörenyenikuramlarıdıştalarız.

Süpersimetriaraştırmaları

33

• SUSY100ünüzerindeserbestparametresiolanbirkuramdır.Çokfarklışekillerdeortayaçıkabilir:farklısüperparçacıkkütleleri,farklıtesirkesitleri,farklıdallanmaoranları…

• BöyleceSUSYBHÇ’deçokçeşitlişekillerdegörülebilir.

• Ağırsparçacıklardahahafifsparçacıklara+SMparçacıklarabozunabilirveçokmiktardaveçeşitlilikteparçacıklargörülebilir.• Çokjetli,çokbkuarklı,çoktkuarklı,çok

leptonlusondurumlarınherhangibirindeSUSYizlerinerastlayabiliriz.

• KlasikSUSYninenbelirginözelliğiağır,kararlı,yüksüzvealgıçtagözlenemeyenparçacıklarasahipolmasıdır.HerSUSYolayındabuparçacıklardanmutlakabulunur.Buparçacıklarkaranlıkmaddeadayıdır.• Görünmeyenparçacıklarıgörmeyeçalışırız.

Doğrudankaranlıkmaddearamak

34

SUSYyadadiğerkuramlaragöreLHCdedoğrudandakaranlıkmaddeüretebiliriz:

Bugörünmezolayıkuarktanışınanbirgluonjetiilegörünüryapabiliriz.BHÇdetekjetliolaylarfazlalığıgörmekgörünmezparçacıklarındoğrudanoluştuğunaişaretedebilir.

Rezonanslar

35

• Eğerağırbirparçacığınbozunduğutümparçacıklarıalgıçtagözleyebiliyorsakağırparçacığıtanımlayabilirizvedeğişmezkütlesinihesaplayabiliriz(tıpkıHiggs’teolduğugibi)

• SMötesiparçacıklardanbirçoğuSMparçacıklarabozunurveBHÇ’devarlıklarıaraştırılabilir.Önerilenparçacıklardançoğu2kuarkayada2gluona(yanı2jete)bozunur.

• BHÇ’de2jetlıolaylarıinceleyip2jetdeğişmezkütledağılımındaSMileuyuşmazlıkararız.

• Amahenüzbulamadık…

Yenifiziği“heryerde”aramak

36

• YenifizikkuramlarındanherhangibirineodaklanmayıtercihetmiyorsakSMötesiherhangibirsinyalyakalamakiçingenelaramayaparız.

• BHÇdegözlemlenecekparçacıklarınolasıtümkombinasyonlarınıelealırız(örneğin1elektron+3jet,2muon+2jet,vs.).

• HerkombinasyoniçinBHÇverileriniSMbeklentisiilekarşılaştırıpfarklılıkararız.• BuyöntemSMötesikuramlarınkarakteristiklerineyönelikaramayapmadığıiçin

çokduyarlıdeğildir,ancakyönlendiricidir.

ATLAS-CONF-2014-006 ATLAS697farklıkombinasyondayenifizikaramış,ancaksinyalerastlamamıştır.

BHÇ’de SM ötesi parçacıklar adına ne bulduk?

37

38

…AMA yine de ilginç şeyler öğreniyoruz.

Yeni fizik sinyalinin yokluğunu kullanarak hangi kuramların daha az olası olduğunu araştırıyoruz.

39

Bundansonrası• LHCupgrade• LHeC• FCC-100km• CLIC-50km• ILC-30km• PC/HF-10km• μC

40

• AWAKE&co…• μH2&anti-H2… • yenimüthişfikir?…