Uno sguardo oltre il MSUno sguardo oltre il MS

Vincenzo CaraccioloUniversità degli Studi dell’Aquila

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Il Modello Standard (MS)

Il MS è una Teoria di Campo Quantizzata Lorentz invariante

Perché è un modello?

Quali fenomeni descrive?

Come è costruito ?(Formalismo lagrangiano)

Introduzione

Come interpretiamo i fenomeni che ci circondano?

Particelle elementari

Il Modello Standard1. Settore Materia fermioni2. Settore dei bosoni mediatori mediatori delle interazioni fondamentali3. Settore della rottura spontanea della simmetria meccanismo per

generare lo spettro di massa dei fermioni e dei bosoni

Di cosa è fatto il mondo?

Carica elettrica

0

-1

2/3

-1/3

Carica elettrica

0

-1 +1

0

0

Spin

1/2

1/2

1/2

1/2

Spin

1

1

1

1

Il Modello StandardSi dice che una simmetria è rotta quando la lagrangiana non è più simmetrica rispetto a tale simmetrie.Invece la rottura spontane della simmetria si manifesta quando è solo lo stato di vuoto, cioè quello di minima energia, a perdere una data simmetria.

La simmetria di gauge non è compatibile con un termine di massa esplicitamente presente nella lagrangiana del MS.Per superare il problema si fa uso del meccanismo della rottura spontanea della simmetria.La scelta minimale per tale meccanismo consiste nel postulare l’esistenza di una nuova particella, chiamata particella di Higgs in onore del suo ideatore

Tutto da dimostrare!

Il Modello StandardLa lagrangiana del MS si basa sul gruppo di simmetria

SUc(3) SUL(2) UY(1).

Cromodinamica quantisticaInterazione elettrodebole

1. E’ invariante per trasformazioni locali di gauge interazioni

2. E’ invariante per trasformazioni di simmetria che permettono la conservazioni di grandezze rilevanti (Teorema di Noether)

Limiti del Modello Standard

Schema dei gruppi e rappresentazioni dei campi del tutto arbitrariPerché l’interazione forte conserva la parità e non quella debolePerché la terza famiglia leptonica è più pesante della seconda e questa della primaPerché le costanti di interazioni sono così diversePerché i leptoni hanno carica unitaria e i quark hanno carica frazionariaPerché alle costanti di accoppiamento di Yukawa non è associata alcuna forza18 (o forse 25) parametri della teoria del tutto arbitrariCome spiegare l’assenza di antimateria nell’universo Il neutrino ha massa? quali peculiarità ha?Quale è la natura della materia oscura

La presenza di piccole differenze tra i parametri liberi è il sintomo dell’esistenza di dinamiche nascoste?

Questioni aperte

E’ una teoria completa?

Limiti del Modello Standard

Le costanti di accoppiamento sono molto diverse a basse energie, ma tendono a diventare simili all’aumentare dell’energia.

Costante 1 GeV 100 GeV

g3 ~3 ~1.2

g2 ~0.01 ~0.4

g1 ~0.2 ~0.3

gi-2() = gi

-2()-bi/(82)ln()

Esiste una unica costante di accoppiamento? A quale scala di energia? GUT?

Questioni aperte

C’è qualche cosa oltre il MS?

particelle supersimmetriche ?

Higgs ?

unificazione E.W.

1012 1015 101810910610310010-3

E (GeV)

e c b

W

t

Come studiare la nuova fisica?

?

Il decadimento del protonePerché il protone è ritenuta una particella stabile?

Una violazione del numero barionico implica una necessaria violazione del numero leptonico

Decadimento del nucleone B=-1 implica una violazione del numero leptonico!

L’idea è di descrivere tali processi tramite dei terminidi una teoria di campo effettiva

Perché si parla di lagrangiana effettiva?Ricorda il procedimento logico seguito da Fermi per lo studio dell’interazione debole

L = numero leptonicoB = numero barinico

Il decadimento del protone

Chi è X? Chi MX?

Se X ~1/137 allora Mx ~ 1015GeV

Può esistere una relazione con le costanti di accoppiamento di Yukawa?

Per migliorare le stime dimensionali occorre inserire il fenomeno in una teoria organica, ad esempio una GUTOccorre considerare:Evoluzione delle costanti di accoppiamentoElemento della matrice adronica (adroni=particelle soggette all’interazione forte, es. quark)

Scrivere nel dettaglio una teoria completa

Limite exp

Quale gut?

Piccole differenze… c’è altro?Ricordate come evolvono le costanti di accoppiamento?

Energia

Supersimmetria

IPOTESI:Per ogni particella del modello standard esiste un partnersupersimmetrico in modo che ad un bosone corrisponda unfermione e viceversa.

Le nuove particelle sono chiamate quarksquark, elettroneselettrone, pionespione, fotonefotino ...

Perché possono risolvere il problema?

gi-2() = gi

-2()-bi/(82)ln()

function MS

function SUSY

Ggut MSSM

MS supersimmetrico minimale

Mx ~1016GeVx

-1 ~ 20

E

Esistenza di un fondo irriducibile

Esistono vari canali di decadimento ad esempio:pe+ 0 t >1033 annipK+ anti- t >1032 anniP+ anti- t >1031 annine- k+ t >1031 anni

Questi sono favoriti in alcune teorie di grande unificazione piuttosto che in altre. Ad esempio, i decadimenti con i K sono favoriti negli accoppiamenti di Yukawa in teorie SuperSimmetriche.

Ma quanto grandi?H20 Ar~10Kton

Ma l’efficienza di rivelazione?

Tecnica di identificazione delle particelle

Considerazioni sperimentali

Materia/antimateriap e+ 0

anti-p e-

bassa probabilità di decadere = grande vita media universo ~1010 anni RIVELATORE DI GRAMDE DIMENSIONE

Dove è finita l’antimateria?

Se p e+ 0 è più lenta di anti-p e- (= violazione CP) allora potrebbe spiegare un eccesso di materia su antimateria

Limiti del Modello StandardQuanti sono i parametri liberi della teoria?

3 costanti di accoppiamentodel potenziale del campo scalare6 costanti di Yukawa per i quark3 angoli della matrice CKM e una fase CP3 costanti di Yukawa per la massa dei leptoni carichi(oppure 3 costanti di accoppiamento di Yukawa per i neutrini e 3 angoli di mescolamento e una fase CP)

18 (o 25) PARAMETRI LIBERI !!

Questioni aperte

Ms approssimazione …. Gut …. Quali esperimenti? ….?

Gravità Forte debole e.m.

elettrodebole

GUT

M

Tuttavia l’esistenza della SuperSimmetria prevede altri canali di decadimento legati agli accoppiamenti di yukawa in teorie di GUT

Canalid di decadimento superisimmetrici

Y = Q - I3

-1/2

>1/n