Güncel sorunlar ve çözüm arayışı

?
Güncelsorunlarveçözümarayışı
G.Ünel
(S.Sekmen’insayfalarındanyararlanarak)
CERNTürkÖğretmenlerÇalıştayı7
Şubat2017
1
Maddeninenküçüköğesibulunmadaninsanevreni
aslaanlayamaz.
Plato
2
BüyükPatlama’danhemensonraevrenimizbirparçacıkkadar
küçüktü.
3
…veevrenimizingelişimi
parçacıklarlaveonların
etkileşimiyledoğrudan
bağlantılıdır.
4
Atomuniçineyolculuk
Temelparçacık
1897
çekirdek
1808
(Dalton)
A New System of Chemical Philosophy
1911
1918(1932)
1964
Temelparçacık
5
Sonratuhafparçacıklargörünmeyebaşladı
•
Pozitronlar(positifelektronlar)
•
Muonlar(dahaağırelektronlar
•
Nötrinolar(yüksüzelektronlar)
•
Çeşitlimezonlar(2kuarktanoluşur)
vebaryonlar(3kuarktanoluşur)
VebutuhafparçacıklarbizeStandart
Model’Igetirdi.
6
STANDARTMODELtemelparçacıklarveetkileşimlerhakkındakibütünbilgimizi
içerenbirkuramlarbütünüdür.
kütle➝ 2.4 MeV/c2
yük➝ ⅔
173.3 GeV/c2
⅔
½
⅔
½
c
t
dönü➝
½
Kuarklar
u
1.27 GeV/c2
4.8 MeV/c2
104 MeV/c2
4.2 GeV/c2
-⅓
½
-⅓
½
-⅓
½
Leptonlar
isim➝
yukarı
d
aşağı
tılsım
s
acayip
üst
b
alt
<2.0 eV/c2
<0.19 MeV/c2
<18.2 MeV/c2
0
e
½ elektron
nötrino
0
μ
½ müon
nötrino
0
τ
½ tau
nötrino
0.511 MeV/c2
105.7 MeV/c2
1.777 GeV/c2
-1
½
-1
½
-1
½
ν
e
elektron
1. aile
ν
μ
müon
2. aile
ν
τ
tau
3. aile
Fermiyonlar
125.1 GeV/c2
o
0
0 Higgs bosonu
H
▪ Herkuarktan3renk.
γ
▪ Herparçacıkiçinbir
karşıparçacık
0
0
1 foton
g
0
0
1 gluon
91.2 GeV/c2
0
1
Z bosonu
▪ Etkileşimlerkuvvettaşıyıcı
parçacıklarlayönlendirilirler
▪ Toplamda60parçacık
(LHCöncesinde)
Z
80.4 GeV/c2
±1
±
1
W bosonu
W
Bosonlar
StandartModeldoğrudur,
ancakeksiklerivardır.
7
SM içeriği
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
‣3+1 uzay-zaman
8
YaSMileuyuşmayan
beklenmedikbirgözlem
yapacağızvegözlemegöre
yenibirkuram
oluşturacağız…
YadaSMineksiklerinden
çıkıpyenikuramlar
bularakonlarınizlerini
araştıracağız.
9
StandartModeldoğrudur–doğruluğudeneylercekanıtlandı.
AncakSMeksiktir.Açıklayamadığışeylervardır.
Dünyadüzdür.
Dünyayuvarlaktır.
Bakışaçımızıgenişletmemizgerekiyor.
BukonudaStandartModel’ineksikleribizeyardımcıolacak!
10
SM içeriği
11
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
‣SM en son kuram olamaz:
‣3+1 uzay-zaman
• Hierarchy sorunu: δH ~ MH
• EZ ve Güçlü kuvvetler birleşmiyor
• Gelişigüzel fermion kütleleri & karışımları
• Gelişigüzel aile sayısı
• Bilinmeyen baryon çıkış kaynağı
SMeksikleri:Kütlesorunu
125.1 GeV/c2
o
0
0 Higgs bosonu
H
Kuarklar
isim➝
Leptonlar
Fermiyonlar
dönü➝
½
u
yukarı
1.27 GeV/c2
173.3 GeV/c2
⅔
½
⅔
½
c
tılsım
t
4.8 MeV/c2
104 MeV/c2
4.2 GeV/c2
-⅓
½
-⅓
½
-⅓
½
d
aşağı
s
acayip
b
alt
<2.0 eV/c2
<0.19 MeV/c2
<18.2 MeV/c2
0
e
½ elektron
nötrino
0
μ
½ müon
nötrino
0
τ
½ tau
nötrino
0.511 MeV/c2
105.7 MeV/c2
1.777 GeV/c2
-1
½
-1
½
-1
½
ν
e
elektron
1. aile
ν
μ
müon
2. aile
ν
τ
tau
3. aile
γ
•
Parçacıklarakütlesiniveren
nedir?
g
•
Nedenfarklıparçacıklar
farklıkütleleresahiptirler?
0
0
1 foton
üst
Bosonlar
kütle➝ 2.4 MeV/c2
yük➝ ⅔
0
0
1 gluon
91.2 GeV/c2
0
1
Z bosonu
Z
Çözüm:
80.4 GeV/c2
±1
±
1
W bosonu
W
12
SMeksikleri:Çeşnisorunu
173.3 GeV/c2
⅔
½
⅔
½
c
t
½
Kuarklar
u
1.27 GeV/c2
dönü➝
4.8 MeV/c2
104 MeV/c2
4.2 GeV/c2
-⅓
½
-⅓
½
-⅓
½
isim➝
Leptonlar
Fermiyonlar
kütle➝ 2.4 MeV/c2
yük➝ ⅔
yukarı
d
aşağı
tılsım
s
acayip
üst
b
alt
<2.0 eV/c2
<0.19 MeV/c2
<18.2 MeV/c2
0
e
½ elektron
nötrino
0
μ
½ müon
nötrino
0
τ
½ tau
nötrino
0.511 MeV/c2
105.7 MeV/c2
1.777 GeV/c2
-1
½
-1
½
-1
½
ν
e
elektron
1. aile
ν
μ
müon
2. aile
ν
τ
Nedenherşeyiaynı,
ancaksadecekütleleri
farklıolan3parçacık
ailesivardır?
tau
3. aile
13
SMeksikleri:Kuvvetlerfarklılığı
Nedenkütleçekimkuvvetidiğerlerindenfarklıdır?Tümkuvvetleri
anlatacakolanbirleşiktekkuramnedir?
Elektromanyetik
Zayıf
Güçlü
ElektroZayıf
Kütleçekim
elektromanyetizmadan
1040kadargüçsüz.
14
SMeksikleri:Madde-karşımaddeasimetrisi
Evreninbaşlangıcındamaddevekarşımaddeeşitmiktarlarda
üretilmişlerdi.Fakatdahasonramaddeninkarşımaddeyetercih
edilmesinisaplayanbirolaygerçeklesti.Sonramaddeve
karşımaddebirbiriniyoketti.Geriyebirazmaddekaldı.
Neden?
Kalanmaddebizleri
oluşturdu.
15
SMeksikleri:Karanlıkmaddevekaranlıkenerji
nedir?Nedenyapılmışlardır?
Evreniniçeriği:
%4.9görünenmadde
%26.8karanlıkmadde
%68.3karanlıkenerji
16
SMeksikleri:Karanlıkmadde
Karanlıkmaddeninvarolduğunadairdolaylıdeneyselkanıta
sahibiz,ancakkaranlıkmaddenindoğasınıhenüzbilmiyoruz.
Karanlıkmaddebüyükolasılıklaparçacıklardanoluşmaktadır.
17
SMeksikleri:Karanlıkenerji
Karanlıkenerjievrendeki
vakumlabağlantılıbirenerji
formudur.Evrendehomojen
olarakdağılmıştırveevrenin
ivmelenerek
genişlemesinden
sorumludur.
18
Neyapıyoruz?
• StandartModel’Ikapsayan,ancakeksiklerinedetamamlayıcı
çözümlerönerenyenifizikkuramlarıoluşturuyoruz.
• Bukuramlarçoğunluklayeniparçacıklarınvarlığınıöngörüyor.
• ÖngörülenparçacıklarıBHÇverilerindearıyoruz.
19
3-cepheli bilim savaşı
Önce buraya bakalım…
20
Olağan Madde
Karanlık Madde
Karanlık Enerji
P5’den 5 ayaklı plan
1. 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
21
SM’den SM ötesine
4. Aile
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
yeni kuvarklar
Üstün Bakışım
BBK
Ayar
Kümesi K
Küçük
Higgs
2HÇM
yeni leptonlar
leptokuvarklar
yeni
bileşenler
bileşik
modeller
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
yeni ayar
bosonları
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
yeni sayıllar
Dinamik
Bakışım
Kırılması
Teknirenk
yeni EZBK
yöntemleri
‣3+1 uzay-zaman
yeni boyutlar
RS
modelleri
ADD
modelleri
22
SorunlarveÇözümadayları
BBK
Çeşnisorunu
BBK
3kuvvetinbirleşmesi
EkBoyutlar
SicimKuramı
Süpersimetri
Yerçekiminingüçsüzlüğü
4kuvvetinbirleşmesi
Süpersimetri
BBK
madde-karşıtmaddeasimetrisi
Süpersimetri
BBK
karanlıkmaddesorunu
Süpersimetri
karanlıkenerjisorunu
23
SM’den SM ötesine
4. Aile
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
yeni kuvarklar
Üstün Bakışım
BBK
Ayar
Kümesi K
Küçük
Higgs
2HÇM
yeni leptonlar
leptokuvarklar
yeni
bileşenler
bileşik
modeller
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
yeni ayar
bosonları
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
yeni sayıllar
Dinamik
Bakışım
Kırılması
Teknirenk
yeni EZBK
yöntemleri
‣3+1 uzay-zaman
yeni boyutlar
RS
modelleri
ADD
modelleri
24
SM’den SM ötesine
4. Aile
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
yeni kuvarklar
Üstün Bakışım
BBK
Ayar
Kümesi K
Küçük
Higgs
2HÇM
yeni leptonlar
leptokuvarklar
yeni
bileşenler
bileşik
modeller
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
yeni ayar
bosonları
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
yeni sayıllar
Dinamik
Bakışım
Kırılması
Teknirenk
yeni EZBK
yöntemleri
‣3+1 uzay-zaman
yeni boyutlar
RS
modelleri
ADD
modelleri
25
SM’den SM ötesine
4. Aile
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
yeni kuvarklar
Üstün Bakışım
BBK
Ayar
Kümesi K
Küçük
Higgs
2HÇM
yeni leptonlar
leptokuvarklar
yeni
bileşenler
bileşik
modeller
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
yeni ayar
bosonları
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
yeni sayıllar
Dinamik
Bakışım
Kırılması
Teknirenk
yeni EZBK
yöntemleri
‣3+1 uzay-zaman
yeni boyutlar
RS
modelleri
ADD
modelleri
26
SM’den SM ötesine
4. Aile
‣Fermionlar: madde parçacığı
• Kuvarklar & Leptonlar
yeni kuvarklar
Üstün Bakışım
BBK
Ayar
Kümesi K
Küçük
Higgs
2HÇM
yeni leptonlar
leptokuvarklar
yeni
bileşenler
bileşik
modeller
‣Ayar kümesi yapısı
• ayar bosonlar: kuvvet taşıyıcılar
yeni ayar
bosonları
‣EZ Bakışım Kırılması
• Higgs bosonu ile kütle kazanımı
yeni sayıllar
Dinamik
Bakışım
Kırılması
Teknirenk
yeni EZBK
yöntemleri
‣3+1 uzay-zaman
yeni boyutlar
RS
modelleri
ADD
modelleri
27
Adaykuram:Süpersimetri
Süpersimetri(SUSY)fermionlarvebozonlararasında–yadamaddevekuvvet
arasındabirsimetridir.Yeniparçacıklarınvarlığınıöngörür.BilinenherSM
parçacıkiçinspinifarklıvedahaağırbirs(üper)parçacıkbulunduğunusöyler.
28
Adaykuram:Ekboyutlar
Uzayda3tenfazlaboyutolabilir.Ekboyutlarküçükvekıvrılmışolabilirler.Butür
boyutlarınvarlığıparçacıklarınetkileşimlerinideğiştirebilir.
Meselaekboyutlarıniçerisinegirildiğinde
kütleçekimkuvvetiartar.
29
bazı EB kavramları
‣Geniş Ek Boyutlar (GEB, ADD):
- tıkızlanmış, düz
- MPl2 ~ Rn MS2+n, MS: sicim ölçeği
- Graviton yığında (bulk)
Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali Phys
Lett B429 (98)
‣TeV-1 Ek Boyutlar (DDG):
- MT : tıkızlanma ölçeği
- Ayar & Higgs bosonlar da yığında
Dienes, Dudas, Gherghetta
Nucl Phys B537 (99)
Randall, Sundrum
Phys Rev Lett 83 (99)
‣Evrensel Ek Boyutlar (UED):
-
KK-sayısı korunumu
MT ve kesim ölçeği Λ
Appelquist, Cheng, Dobrescu
Phys. Rev. D 64 (01)
Bütün SM parçıklar yığında
Bir çok KK spectra (ÜSBA beklentileri gibi)
Gab,n, MC, R : model parameters
TeV
- 2-zarlı çözüm : RS tür1
- k/MPl, k: eğrilme, bükülme çarpanı
- dar 2dönülü tınlaşımlar: Graviton
Planck
‣Bükük Ek Boyutlar (RS):
Bulk (y)
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
Elektrik
1861Elektromanyetizma
Işık
Manyetik
1968ElektroZayıf
Etkileşimler
~100GeV
1900
BetaBozunumu
NötrinoEtkileşimi
1930
1933ZayıfEtkileşim
~1MeV
Proton1815
Nötron1932
Piyon 1947
1961GüçlüEtkileşim
~10GeV
197x
Standart
Model
~TeV
2???
Büyük
Birleşik
Kuram
???on 20??
~1600
Mekanik
Göksel
~1500
Uzay~1850
Zaman
1687EvrenselÇekim
1915
GenelGörecelik
2???
Herşeyin
Kuramı
31
Adaykuram:BüyükBirleşmeKuramı
GözlemlediğimizElektroZayıfveGüçlükuvvetleraynı
kuvvetinfarklıbakışaçılarınagöreizdüşümleriolabilir.
SM,dahayüksekenerjideortayaçıkacakolanbüyük
birkuramındüşükenerjidekihalimi?
Leptonsayısını4QCDrengiolarakdüşünebilirmiyiz?
patti-salam1975
BukuramE6birleşimiolabilirmi?
gürsey1976
Yeni
fermiyon
ve
bozonlar
32
LHC’deyenifizikarıyoruz…amaufakbirsorunvar:
Birçokolasıadaydanhangisidoğru?
33
LHC’deyenifiziknasılararız?
•
•
Adaykuramdanbağımsızaramalar:
• ÖncelikleSMninbaskınolduğusondurumlardaölçümleryaparakSMi
doğrularız.VerideSMöngörüsünegörebirfarkolupolmadığınabakarız.
Şimdiyekadarfarkgörmedik.
• ÇoksayıdafarklısondurumaaynıandakabacabakarızveSMdenbir
farklılıkararız.
Adaykuramabağlıaramalar:
• Yenifizikkuramlarıarasındansevdiğimizbirinialırız.
• Adaykuramıngenelkarakteristiklerinibelirleriz,vebukarakteristikler
arasındaSMdenayırtediciolanlarıbuluruz.
• BHÇverilerıarasındanbukarakteristikleresahipolanolaylarıseçeriz.
• SeçimdenkaçtaneSMolaygeçmişolabileceğinihesaplarız.
• HesaplananSMmiktarınıseçilmişverilerlekarşılaştırırızvefarkçıksındiye
umutederiz.
• Eğerfarkçıkarsadeğişikkanallardaölçümyaparakyeniparçacığıtanımaya
çalışırız.
34
• Eğerfarkçıkmazsaveridefazlalıköngörenyenikuramlarıdıştalarız.
LHC’denekadarSMoluşur?
Bunlarınyanısıra107pbileQCDardalanvar.QCD’de2yadafazlajetoluşuyor.
35
LHC’denekadaryenifizikoluşmasıbeklenir?
36
Süpersimetriaraştırmaları
•
•
SUSY100ünüzerindeserbestparametresiolanbirkuramdır.Çokfarklı
şekillerdeortayaçıkabilir:farklısüperparçacıkkütleleri,farklıtesirkesitleri,
farklıdallanmaoranları…
BöyleceSUSYBHÇ’deçokçeşitlişekillerdegörülebilir.
•
•
Ağırsparçacıklardahahafifsparçacıklara+SM
parçacıklarabozunabilirveçokmiktardave
çeşitlilikteparçacıklargörülebilir.
• Çokjetli,çokbkuarklı,çoktkuarklı,çok
leptonlusondurumlarınherhangibirindeSUSY
izlerinerastlayabiliriz.
KlasikSUSYninenbelirginözelliğiağır,kararlı,
yüksüzvealgıçtagözlenemeyenparçacıklarasahip
olmasıdır.HerSUSYolayındabuparçacıklardan
mutlakabulunur.Buparçacıklarkaranlıkmadde
adayıdır.
• Görünmeyenparçacıklarıgörmeyeçalışırız. 37
Doğrudankaranlıkmaddearamak
SUSYyadadiğerkuramlaragöreLHCde
doğrudandakaranlıkmaddeüretebiliriz:
Bugörünmezolayıkuarktanışınanbirgluon
jetiilegörünüryapabiliriz.
BHÇdetekjetliolaylarfazlalığıgörmek
görünmezparçacıklarındoğrudanoluştuğuna
işaretedebilir.
38
Rezonanslar
•
•
•
•
Eğerağırbirparçacığınbozunduğutümparçacıklarıalgıçtagözleyebiliyorsakağır
parçacığıtanımlayabilirizvedeğişmezkütlesinihesaplayabiliriz(tıpkıHiggs’te
olduğugibi)
SMötesiparçacıklardanbirçoğuSMparçacıklarabozunurveBHÇ’devarlıkları
araştırılabilir.Önerilenparçacıklardançoğu2kuarkayada2gluona(yanı2jete)
bozunur.
BHÇ’de2jetlıolaylarıinceleyip2jetdeğişmezkütledağılımındaSMileuyuşmazlık
ararız.
39
Amahenüzbulamadık…
Yenifiziği“heryerde”aramak
•
•
•
•
YenifizikkuramlarındanherhangibirineodaklanmayıtercihetmiyorsakSMötesi
herhangibirsinyalyakalamakiçingenelaramayaparız.
BHÇdegözlemlenecekparçacıklarınolasıtümkombinasyonlarınıelealırız
(örneğin1elektron+3jet,2muon+2jet,vs.).
HerkombinasyoniçinBHÇverileriniSMbeklentisiilekarşılaştırıpfarklılıkararız.
BuyöntemSMötesikuramlarınkarakteristiklerineyönelikaramayapmadığıiçin
çokduyarlıdeğildir,ancakyönlendiricidir.
ATLAS-CONF-2014-006
ATLAS697farklı
kombinasyonda
yenifizikaramış,
ancaksinyale
rastlamamıştır.
40
BHÇ’de SM ötesi parçacıklar
adına ne bulduk?
41
42
…AMA
yine de ilginç şeyler öğreniyoruz.
Yeni fizik sinyalinin yokluğunu kullanarak hangi
kuramların daha az olası olduğunu araştırıyoruz.
43
44
…AMA
yine de ilginç şeyler öğreniyoruz.
Yeni fizik sinyalinin yokluğunu kullanarak hangi
kuramların daha az olası olduğunu araştırıyoruz.
Ve bu bilginin ışığında yeni veri için yeni analizler
tasarlıyoruz.
LHC 2015 Haziran’da 13 TeV enerji ile tekrar veri
almaya başladı!
45