SlideShare a Scribd company logo
1
Süpersimetri ve Karanlık
Madde
Sinan Kuday
Ankara Üniversitesi Fizik Bölümü
POP FİZİK SEMİNERLERİ
21 MAYIS 2009
Ana Hatlar
1. Bazı Temel Simetriler
2. Süpersimetri (SUSY)
2.1 Önemli Motivasyonlar
2.2 SParçacıklar
2.3 Temel Prensipler
2.4 Wess-Zumino Modeli
3. Süpersimetrik Kozmoloji
4. Karanlık Madde Adayı Süpersimetrik
Parçacıklar:
• Nötralino
• Gravitino
• Aksino
1. Bazı Temel Simetriler
Simetri Nedir?
Belirsiz bir mükemmellik veya güzelliği yansıtan, estetik olarak hoşa
giden bir orantılılık ve denge duygusudur.
Matematikte Simetri Nedir?
Bir objenin verilen bir matematiksel işleme göre simetrik
(değişmeden) kalması simetriyi gösterir.
g : G × X → X
1. Bazı Temel Simetriler
Örnek 1: (D3)
r: O merkezi etrafında dönmeler
s: Kenarortay etrafında dönmeler
Etkisiz eleman: r0
= r3
= s0
= s2
= e
Her elemanın tersi vardır: r2
.r = e
Birleşme özelliği vardır:
r(r2
s) = (r.r2
)s = r3
s = es = s
Kapalılık özelliği vardır:
Grup işlemi yoluyla grup elemanları
dışında elemanlar elde edilemez.
 GRUP AKSİYOMLARI sağlanır.
e r r2
s rs r2
s
e e r r2
s rs r2
s
r r r2
e rs r2
s s
r2
r2
e r r2
s s rs
s s r2
s rs e r2
r
rs rs s r2
s r e r2
r2
s r2
s rs s r2
r e
1. Bazı Temel Simetriler
Örnek 2: (S3) permütasyon grubunun elemanları,
veya e, (12), (13), (23), (123), (132)
S3 ve D3 arasındaki izomorfizmi gösterelim:
e → e (23) → s
(123) → r (12) → rs
(132) → r2
(13) → r2
s
e (123) (132) (23) (12) (13)
e e (123) (132) (23) (12) (13)
(123) (123) (132) e (12) (13) (23)
(132) (132) e (123) (13) (23) (12)
(23) (23) (13) (12) e (132) (123)
(12) (12) (23) (13) (123) e (132)
(13) (13) (12) (23) (132) (123) e




































=
213
321
,
132
321
,
231
321
,
123
321
,
312
321
,
321
321
e
1. Bazı Temel Simetriler
Örnek 3: (Rubik Küp)
Tüm hamleler sınıflandırılarak
4 çeşit temel hamleye indirgenebilir :
• Köşe Kübitlerin poziyonunu (S8)
• Kenar Kübitlerin pozisyonunu (S12)
• Köşe Kübitlerin yönelimini (Z3
8
)
• Kenar kübitlerin yönelimini (Z2
12
)
değiştiren hamleler ve bileşik hamleler.
Rubik Kübün Grup Yapısı:
“Griess” notasyonunda
Küp grubunun derecesi~ 4x1019
Optimal çözüm hamle sayısı < 20
Soru: N < 20 olacak şekilde yapılacak optimal çözüm nedir??
Ara Sonuç: Simetriler hakkında hala bilmediklerimiz
var.
1. Bazı Temel Simetriler
Simetriler hakkında bildiklerimiz:
• Doğada simetriler kırılabilir.
• “Fizik yasalarının” simetrik yapısı da doğaya uygun
olarak kırılabilmelidir. (Örn: Süreksiz simetriler)
• Matematikte simetriler, ilgili oldukları dönüşümlerle
önemli grup yapılarını indükler. (1960 – 1980, >10.000
grup teori makalesi var)
• Standart Model (SM) parçacıkların ayar grup yapısının
SU(3)xSU(2)xU(1) olduğunu göstermiştir. Bu sonuca
“Gravitasyon alanı” dahil değildir.
• “Noether Teoremi”
1. Bazı Temel Simetriler
• C: Charge, P: Parity, T: Time
• Scale (Ölçek) simetrisi → Konformal Alan Teorisi
• Ayar Simetrisi → Kuantum Alan Teorisi
SİMETRİLERSİMETRİLER
Kesikli Simetriler Sürekli Simetriler
CPT simetrisi Uzay-zaman simetrileri Dahili Simetriler
İzospin, baryon sim…vs.
Yerel Simetriler:
SU(3)c , U(1)em , SU(2)L
Global Simetriler
Φ -> e(..)
Φ
2. Süpersimetri (SUSY)
“Standart Model Parçacık
Havuzu”
4 Etkileşim Alanın Bozonları
(Kuvvet taşıyıcılar):
Güçlü → gluon
Zayıf → W±
,Z
E.Magnetik → Foton
Gravitasyon → Graviton
2. Süpersimetri (SUSY)
“Süpersimetri, fermiyon ve bozon durumları arasında, bir Q
operatörüyle ile tanımlanan dönüşümlere bağlı uzay zaman
simetrisidir. Bu dönüşümlere süpersimetrik dönüşümler denir.”
(Martin F. Sohnius) nB = nF
Clifford Cebri:
V:Vektor uzayı, F: C alan
Q(λ) = λ2
Örn: Dirac Matrisleri
Coleman-Mandula teoreminin Haag-Lopuszanski-Sohnius
tarafından ortaya atılan açılımına göre SUSY bir Lie super cebri
olduğu için mümkündür.
BozonFermiyonQ =FermiyonBozonQ =
2. Süpersimetri (SUSY)
2. Süpersimetri (SUSY)
Süpermultiplet: Bir süpersimetrik teorideki tek-parçacık durumunun
süpersimetrik cebre göre indirgenemez tek temsilidir. Her
supermultiplet içinde fermiyon ve bozon durumları vardır.
Süpermultiplet içindeki parçacıklar birbirinin süper eşidir.
Q ve Q+
süpersimetri jeneratörleridir. Süpersimetrik modeller bu
jenaröterlerin sayısına göre N = 1, 2, 3..vs. isimlendirilirler.
P, uzay-zaman
dönüşümlerinin
4lü momentum
jeneratörü
Noether Teoremine göre Süperakım korunur.
0],[],[
0},{},{
},{
==
==
=
+
++
+
QPQP
QQQQ
PQQ
µµ
µ
2.1 Önemli Motivasyonlar
SM’de Serbest Parametreler
• 3 ayar çiftlenim sabiti
• Yukawa sabiti λ ve kütle m (Higgs sektörüne ait)
• 6 kuark (u,d,c,s,t,b) ve 3 lepton (e,μ,τ) kütlesi
• 3 karışım açısı
• 1 CP-ihlali fazı (Kuark sisteminde)
• 1 QCD çiftlenim parametresi θ
+--------------------------------------
• Toplam 19 parametre ! Daha az sayıda serbest
Parametre olabilir mi?
• Ayar Hiyerarşi Problemi
• SM Karakteristik enerji ölçeği: MW ~100 GeV
• Gravitasyon Karakteristik enerji ölç.: MP ~ 1019
GeV
• Skaler Bozon kütlelerinin kuadratik ıraksaması
Nötrino Salınımları (Deneysel Kanıt)
Nötrinoların çeşni(kütle) ve etkileşme arasındaki ilişki
α = e (elektron) , μ (muon) , τ (tau) ->
Kütle özdurumları
i = 1, 2, 3 -> Etkileşme özdurumları
U = Maki-Nakagawa-Sakata karışım
matrisi (MNS)
Deneyler:
MiNiBooNe , K2k , Kamiokande
Sonuç:
Nötrinolar kütleli !
2.1 Önemli Motivasyonlar
α
α
α
αα
νν
νν
∑
∑
=
=
ii
i
i
i
U
U *
dlvW +→+
α
Nötrino kütleleri (Seesaw Mechanism):
Lagranjiende Dirac Kütle terimleri Majorana Kütle terimleri
L,R nötrino helisite durumları, C yük konjugasyonu ve
Bütün terimleri matris notasyonunda tek bir Lagranjiende
toplarsak;
Kütle matrisinin öz değerleri yaklaşık
m ~ 10-2
GeV alınırsa M ~ 1014
GeV !
2.1 Önemli Motivasyonlar
2.2 SParçacıklar
Ayar süpermultipletler
Elli(chiral) süpermultipletler
2.3 Temel Prensipler
dönüşümlerini Є1 ve Є2 şeklinde çift spinörlü
yazdığımızda cebrin kapanması için aşağıdaki şartın sağlanması gerekir:
Buna kabuk durumunda (on-shell) cebrin kapanması denir. Ancak
süpersimetri cebri kabuk dışı (off-shell) için de kapanmalı. Bunu
sağlamak için Lagranjiene yardımcı yeni bir alan eklememiz gerekir.
W; süpersimetrik potansiyel olarak adlandırılır. Süpersimetrik modeller W
seçimine bağlı olarak oluşturulur.
2.4 Wess-Zumino Modeli
Kütlesiz ve Lagranjieni etkileşim içermeyen en basit süpersimetrik modeldir.
Doğal olma problemine aşağıdaki gibi çözüm getirir.
1. İki serbestlik derecesine sahip bir kompleks skaler alan için
2. İki serbestlik derecesine sahip Majorana spinörüyle tanımlı bir fermiyon alanı
Lagranjiendeki kinetik terim;
Lagranjiendeki etkileşim terimi; Süperpotansiyel;
Son ifadeden aşağıdaki diagramlar için köşe faktörlerini yazıp genliğe
gelecek katkıları hesaplayalım…
2/)( iBA +=φ
ψψψ == TC
C
ψγψψγψφφ ν
ν
µ
µ
µ
µ
ν
ν
µ
µ
∂+∂∂+∂∂=∂+∂∂=
22
1
2
1
2
* i
BBAA
i
Lk






+−−= RLLRi
d
Wd
d
Wd
d
dW
L ψψ
φ
ψψ
φφ 2
2
2
22
2
1 32
3
1
2
1
)( λφφφ += mW
ψγψ
λ
ψψ
λλ
)(
22
1
)(
4
)(
2
)(
2
1 5222
2
22222
iBAmBABAA
m
BAmLi −−−+−+−+−=
2.4 Wess-Zumino Modeli
1)
2)
3)
Not: Alanlar süper simetrik alınmadığından tam sadeleşme olmaz.
224
4
2
224
42
1
)2(
3
)2(
34
4 mk
kd
mk
ikd
x
i
−
=
−
− ∫∫ π
λ
π
λ
224
4
2
224
42
1
)2()2(
2
2 mk
kd
mk
ikdi
−
=
−
− ∫∫ π
λ
π
λ
( )
}
]))[((
4
)2()(
1
)2(
1
)2(
{2
)()2(
2
2
2222
22
4
4
224
4
224
4
2
4
42
∫∫∫
∫
−−−
−
+
−−
+
−
−=






−−−






−−
mkpmk
mpkd
mpk
kd
mk
kd
mpk
i
mk
i
Tr
kdi
πππ
λ
π
λ
3. Süpersimetrik Kozmoloji
Big Bang: Evrenin son derece yoğun ve sıcak bir “tekillik”
sonrası genişleyerek oluştuğunu savunur.
Olbers Paradoksu: (1823) Sonsuz sayıda yıldız olmasına rağmen
evren neden karanlıktır?
1. Evren gençtir ve yalnızca 10 milyar yıldır ışık saçmaktadır.
2. Evren termodinamik dengeden kaçınacak biçimde
genişlemektedir.
→ D: Uzaklık, v: Hız, H: Hubble sbt. ~ 70.1 ± 1.3
km/s/Mpc
DHv 0=




=−=−= ρ
πρπ 3
2
3
4
,
3
4
.. RM
GmR
R
mMG
EP
22
2
1
.. RmHEK =
G
H
EPEK
π
ρ
8
3
..
2
=⇒=
330
/105.4 cmgc
−
×=ρKritik Yoğunluk: Ω≡
cρ
ρ
3. Süpersimetrik Kozmoloji
Düzlük Problemi: Sürekli
genişleyen evren yüzeyi giderek
düzleşerek düz evren modeli ile
ayırt edilemez olmuştur.
Kritik yoğunluktaki bir evren
modelinde “WIMP” olmak
zorundadır !
Anlamlı Sayılar: Kozmolojik parametrelerin dahil olduğu sınırlardır.
22.0 0 ≤Ω≤
MSSM: Süpersimetri kırılmasının açıklandığı ve ayrıntılı süperpotansiyellerin
yazıldığı supersimetrik modeldir. Başlangıç için süper potansiyel;
alınabilir ve kiral süpermultipletlere karşılık gelen alanlar
olarak düşünülebilir.
Ancak toplam potansiyel içinde Baryon ve Lepton korunum yasalarına
uymayan aşağıdaki terimler de vardır,
Baryon – Lepton korunumunu sağlamak için aşağıdaki gibi bir kuantum sayısı
tanımlanır; (R-parite)
3. Süpersimetrik Kozmoloji
3. Süpersimetrik Kozmoloji
R-paritesinin korunumunun önemli sonuçları vardır:
1. PR=-1 paritesine sahip olan en hafif s-parçacık (LSP) kesinlikle
stabil olmalıdır. Eğer elektriksel olarak nötral ise sadece sıradan
madde ile etkileşime girer. LSP, bu özelliği ile non-baryonik kara
cisim için iyi bir adaydır.
2. LSP dışındaki s-parçacıklar hemen (anında) tek sayıda LSP
içeren durumlara bozunmalıdır. (genellikle tek bozunma)
3. Çarpıştırıcı deneylerinde, s-parçacıklar çiftler halinde
üretilmelidir.
Madde Paritesi : R-paritesinin spin etkisini göz ardı eden şekli
olarak bilinir.
Her iki korunum yasası da MSSM içinde açıklanmaktadır. Fakat
MSSM’in bazı açılımlarında R-parite korunumu ihlal edilir,
alternatif korunumlar ortaya konur ya da bu simetrinin kırıldığı
söylenir.
4.Karanlık Madde
Karanlık Madde: Büyük Patlama teorisine göre evrenin
oluşumundan bu yana hiçbir maddeyle doğrudan etkileşime
girmeyen ve gözlenemeyen kayıp maddedir.
Evrendeki kayıp maddenin varlığı ayrıntılı gravitasyon
hesaplamalarıyla ilk defa 1933 de Fritz Zwicky tarafından
farkedilmiştir.
Karanlık maddenin varlığı Büyük Patlamanın varlığı ile birlikte
1965 yılında Kozmik Mikrodalga Fon ışınımı (CMB) yoluyla
gösterilmiştir. Bu ışınım 2.725°K ısısında, 160.2 GHz frekansla
1.9mm dalga boyuna sahiptir.
4.Karanlık Madde
Karanlık maddenin yapısında olabileceği düşünülen
parçacıklar şunlar;
Baryonik Karanlık madde: Rydberg maddesi.
Non-Baryonik Karanlık madde:
Sıcak Karanlık madde: Ultra göreli hızlardaki non-baryonik
parçacıklar
Ilık Karanlık Madde: Göreli hızlarda hareket eden non-
baryonik parçacıklar
Soğuk Karanlık Madde: Düşük hızlarda hareket eden non-
baryonik parçacıklar
Non-Baryonik Soğuk karanlık madde kapsamında
aşağıdaki süpersimetrik parçacıkların iyi birer aday
oldukları bilinmektedir:
Nötralino
Gravitino
Axino
4.1. Nötralino
• MSSM’de Süpersimetrinin kırılmasıyla birlikte (Standart Modelde
olduğu gibi) yeni bozonlar kütle kazanır.
• Standart Modelde, W+
W-
ve Z0
bozonlarının süper eşleri SUSYde
yüklü chargino ve yüksüz nötralino parçacıklarıdır.
• Yüksüz olması, az etkileşmesi ve en hafif s-parçacık olarak
öngörülmesi nedeniyle nötralino kara madde adayı
parçacıktır.
• Kütlesinin ~100 GeV mertebelerinde olacağı öngörülmektedir.
• Şimdiye kadar TEVATRON ve LEP
deneylerinde gözlenememiştir,
nedeni dedekte edilmekten kaçması
ve bir enine enerji bileşenine ET
sahip olmasıdır.
• LHC deneyinin ilk bulgularından
biri olacağı düşünülmektedir.
0~
lχ +
lχ~ −
lχ~
0~
lχ
4.1. Nötralino
MSSM’de Feynman kurallarına göre genliği yazarsak;
4.1. Nötralino
Comphep yardımıyla Nötralino çift üretimi:
Parametreler:
Mu=1000
MG1=110
MG2=200
Ml2=1000
Mr2=1000
tanβ=10
4.2. Gravitino
•Gravitino, spini 2 olan kütle çekim ara parçacığının gravitonun
süpersimetrik eşidir.
•Gravitino, Süpersimetride global simetriden lokal simetrilere
geçildiğinde ortaya çıkacak Süpergravitasyon (SUGRA) alanının
öncü parçacığıdır.
•SM ayar grubuna göre gravitino parçacığı singlettir ve
etkileşmeleri süpergravite Lagranjieni ile elde edilebilir.
•Eğer gravitino varsa bu bir spin 3/2 vektör-fermiyondur ve
böylece Rarita-Schwinger denklemine uyar.
•Stabil yada Unstabil olacağı iki durum öngörülmektedir.
Gravitino; ancak stabil parçacıksa karanlık madde adayı olabilir.
•En önemli etkileşmesi; ττ G
~~ →
LR τϕτϕτ ττ
~)sin(~)cos(~ +=
]~)~()~[(
2
1 *
2/3
µν
µνµ
νµ
ν ψγγτττγγψτ LRRR
P
PDPD
M
L +−=
RR ieAD ττ ννν
~)(~ +∂= GeVxGM NP
182/1
10436.2)8( == −
π
2/33 mMM PSusY =
4.2. Axino
QCD’de CP-simetrisinin bozulması “güçlü CP-bozulması” olarak
adlandırılır.
Lagranjienin son terimindeki θ sabiti CP bozulmasına yol
açmaktadır.
Peccei-Quinn Mekanizması olarak bilinen teoriye göre θ, dinamik
bir alan olarak tanımlanır ve karşılık gelen parçacığa “axion” adı
verilir. Bu alanın getirdiği potansiyel ifadesi son terimin
sadeleşmesini sağlar.
Axino; “axion” parçacığının süpersimetrik eşidir. (spin=1/2)
Sonuçlar
• Gelecek senelerde SUSY ve diğer simetriler
deneysel ve teorik anlamda araştırılmaya devam
edecektir.
• Karanlık Maddenin ne olduğunun belirlenmesi
Kozmoloji ve YEF alanında devrim niteliği
taşıyacaktır.
• SUSY deneysel olarak doğrulanmasa bile Fiziğe
katkısı tartışılmaz derecede büyüktür.
Dinlediğiniz için Teşekkürler!
• Supersymmetry (Oxford Graduate Texts) Pierre Binetruy – Oxford 2006
• A Supersymmetry Primer (hep-ph/970376) Stephen P. Martin – 2006
• Sparticles (World Scientific Press) M. Drees, R.Godbole, P. Roy – 2006
• Introducing Supersymmetry () Martin F. Sohnius –
• Supersymmetry (North-Holland Publishing Co.) P.Fayet, S.Ferrara – 1976
• Prospects to study a long-lived charged Next Lightest Supersymmetric
Particle at LHC (SISSA ) K.Hamaguchi, M.Nojiri, A.Roeck – 2007
• Supersymmetric Dark Matter Candidates (hep-ph/1240) D.Steffen – 2007
• Supergravity at Colliders (Physics Letters) W.Buchmüller, K.Hamaguchi,
M.Ratz, T.Yanagida – 2004
• "To name something is not generally to understand it."
• Innumeracy: Mathematical Illiteracy and its Consequences(1988)-John
Allen Paulos
Referanslar

More Related Content

What's hot

Radiation shield ppt
Radiation shield ppt Radiation shield ppt
Radiation shield ppt
vishwanath biradar
 
Metasurface Hologram Invisibility - ppt
Metasurface Hologram Invisibility -  pptMetasurface Hologram Invisibility -  ppt
Metasurface Hologram Invisibility - ppt
Carlo Andrea Gonano
 
Measurement of VoD of explosives.pptx
Measurement of VoD of explosives.pptxMeasurement of VoD of explosives.pptx
Measurement of VoD of explosives.pptx
Dr Romil Mishra
 
Transport safety meherun rco_2021
Transport safety  meherun rco_2021Transport safety  meherun rco_2021
Transport safety meherun rco_2021
mahbubul hassan
 
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedippt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
Jyotibhooshan Chaturvedi
 
Plasma Antenna and its applications
Plasma Antenna and its applicationsPlasma Antenna and its applications
Plasma Antenna and its applications
swetha samv
 
Waveguide
WaveguideWaveguide
Plasma science and applications 2013
Plasma science and applications 2013Plasma science and applications 2013
Plasma science and applications 2013
Sergey Korenev
 
Compton effect
Compton effectCompton effect
Compton effect
Al-Amin Islam
 
PHOTOELECTRIC EFFECT
PHOTOELECTRIC EFFECTPHOTOELECTRIC EFFECT
PHOTOELECTRIC EFFECT
devanandadoll
 
Quantum electronic devices
Quantum electronic devicesQuantum electronic devices
Quantum electronic devices
ThanmaiYadav
 
density of states
density of statesdensity of states
density of states
Priya Dharsini
 
Gain media & q switching
Gain media & q  switchingGain media & q  switching
Gain media & q switching
Anamika Banerjee
 
Dye laser
Dye laserDye laser
Dye laser
Zeeshan Rana
 
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting OperationsExplosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
partha sharma
 
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICS
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICSPh 101-9 QUANTUM MACHANICS
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICS
Chandan Singh
 
Duties and Responsibilities of RCO
Duties and Responsibilities of  RCODuties and Responsibilities of  RCO
Duties and Responsibilities of RCO
mahbubul hassan
 
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway PlatformIRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
IRJET Journal
 
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-IsomerismNuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
Eswaran Murugesan
 
Soalan peperiksaan radio amatur
Soalan peperiksaan radio amaturSoalan peperiksaan radio amatur
Soalan peperiksaan radio amatur
Azlee Johar
 

What's hot (20)

Radiation shield ppt
Radiation shield ppt Radiation shield ppt
Radiation shield ppt
 
Metasurface Hologram Invisibility - ppt
Metasurface Hologram Invisibility -  pptMetasurface Hologram Invisibility -  ppt
Metasurface Hologram Invisibility - ppt
 
Measurement of VoD of explosives.pptx
Measurement of VoD of explosives.pptxMeasurement of VoD of explosives.pptx
Measurement of VoD of explosives.pptx
 
Transport safety meherun rco_2021
Transport safety  meherun rco_2021Transport safety  meherun rco_2021
Transport safety meherun rco_2021
 
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedippt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
ppt on Elementary Particles By Jyotibhooshan chaturvedi
 
Plasma Antenna and its applications
Plasma Antenna and its applicationsPlasma Antenna and its applications
Plasma Antenna and its applications
 
Waveguide
WaveguideWaveguide
Waveguide
 
Plasma science and applications 2013
Plasma science and applications 2013Plasma science and applications 2013
Plasma science and applications 2013
 
Compton effect
Compton effectCompton effect
Compton effect
 
PHOTOELECTRIC EFFECT
PHOTOELECTRIC EFFECTPHOTOELECTRIC EFFECT
PHOTOELECTRIC EFFECT
 
Quantum electronic devices
Quantum electronic devicesQuantum electronic devices
Quantum electronic devices
 
density of states
density of statesdensity of states
density of states
 
Gain media & q switching
Gain media & q  switchingGain media & q  switching
Gain media & q switching
 
Dye laser
Dye laserDye laser
Dye laser
 
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting OperationsExplosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
Explosives, Theory Of Breakage And Blasting Operations
 
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICS
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICSPh 101-9 QUANTUM MACHANICS
Ph 101-9 QUANTUM MACHANICS
 
Duties and Responsibilities of RCO
Duties and Responsibilities of  RCODuties and Responsibilities of  RCO
Duties and Responsibilities of RCO
 
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway PlatformIRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
IRJET- Automatic Footbridge Platform System on Railway Platform
 
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-IsomerismNuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
Nuclear Chemistry-Augar effect-Internal conversion-Isomerism
 
Soalan peperiksaan radio amatur
Soalan peperiksaan radio amaturSoalan peperiksaan radio amatur
Soalan peperiksaan radio amatur
 

Supersimetri ve Karanlık Madde

  • 1. 1 Süpersimetri ve Karanlık Madde Sinan Kuday Ankara Üniversitesi Fizik Bölümü POP FİZİK SEMİNERLERİ 21 MAYIS 2009
  • 2. Ana Hatlar 1. Bazı Temel Simetriler 2. Süpersimetri (SUSY) 2.1 Önemli Motivasyonlar 2.2 SParçacıklar 2.3 Temel Prensipler 2.4 Wess-Zumino Modeli 3. Süpersimetrik Kozmoloji 4. Karanlık Madde Adayı Süpersimetrik Parçacıklar: • Nötralino • Gravitino • Aksino
  • 3. 1. Bazı Temel Simetriler Simetri Nedir? Belirsiz bir mükemmellik veya güzelliği yansıtan, estetik olarak hoşa giden bir orantılılık ve denge duygusudur. Matematikte Simetri Nedir? Bir objenin verilen bir matematiksel işleme göre simetrik (değişmeden) kalması simetriyi gösterir. g : G × X → X
  • 4. 1. Bazı Temel Simetriler Örnek 1: (D3) r: O merkezi etrafında dönmeler s: Kenarortay etrafında dönmeler Etkisiz eleman: r0 = r3 = s0 = s2 = e Her elemanın tersi vardır: r2 .r = e Birleşme özelliği vardır: r(r2 s) = (r.r2 )s = r3 s = es = s Kapalılık özelliği vardır: Grup işlemi yoluyla grup elemanları dışında elemanlar elde edilemez.  GRUP AKSİYOMLARI sağlanır. e r r2 s rs r2 s e e r r2 s rs r2 s r r r2 e rs r2 s s r2 r2 e r r2 s s rs s s r2 s rs e r2 r rs rs s r2 s r e r2 r2 s r2 s rs s r2 r e
  • 5. 1. Bazı Temel Simetriler Örnek 2: (S3) permütasyon grubunun elemanları, veya e, (12), (13), (23), (123), (132) S3 ve D3 arasındaki izomorfizmi gösterelim: e → e (23) → s (123) → r (12) → rs (132) → r2 (13) → r2 s e (123) (132) (23) (12) (13) e e (123) (132) (23) (12) (13) (123) (123) (132) e (12) (13) (23) (132) (132) e (123) (13) (23) (12) (23) (23) (13) (12) e (132) (123) (12) (12) (23) (13) (123) e (132) (13) (13) (12) (23) (132) (123) e                                     = 213 321 , 132 321 , 231 321 , 123 321 , 312 321 , 321 321 e
  • 6. 1. Bazı Temel Simetriler Örnek 3: (Rubik Küp) Tüm hamleler sınıflandırılarak 4 çeşit temel hamleye indirgenebilir : • Köşe Kübitlerin poziyonunu (S8) • Kenar Kübitlerin pozisyonunu (S12) • Köşe Kübitlerin yönelimini (Z3 8 ) • Kenar kübitlerin yönelimini (Z2 12 ) değiştiren hamleler ve bileşik hamleler. Rubik Kübün Grup Yapısı: “Griess” notasyonunda Küp grubunun derecesi~ 4x1019 Optimal çözüm hamle sayısı < 20 Soru: N < 20 olacak şekilde yapılacak optimal çözüm nedir?? Ara Sonuç: Simetriler hakkında hala bilmediklerimiz var.
  • 7. 1. Bazı Temel Simetriler Simetriler hakkında bildiklerimiz: • Doğada simetriler kırılabilir. • “Fizik yasalarının” simetrik yapısı da doğaya uygun olarak kırılabilmelidir. (Örn: Süreksiz simetriler) • Matematikte simetriler, ilgili oldukları dönüşümlerle önemli grup yapılarını indükler. (1960 – 1980, >10.000 grup teori makalesi var) • Standart Model (SM) parçacıkların ayar grup yapısının SU(3)xSU(2)xU(1) olduğunu göstermiştir. Bu sonuca “Gravitasyon alanı” dahil değildir. • “Noether Teoremi”
  • 8. 1. Bazı Temel Simetriler • C: Charge, P: Parity, T: Time • Scale (Ölçek) simetrisi → Konformal Alan Teorisi • Ayar Simetrisi → Kuantum Alan Teorisi SİMETRİLERSİMETRİLER Kesikli Simetriler Sürekli Simetriler CPT simetrisi Uzay-zaman simetrileri Dahili Simetriler İzospin, baryon sim…vs. Yerel Simetriler: SU(3)c , U(1)em , SU(2)L Global Simetriler Φ -> e(..) Φ
  • 9. 2. Süpersimetri (SUSY) “Standart Model Parçacık Havuzu” 4 Etkileşim Alanın Bozonları (Kuvvet taşıyıcılar): Güçlü → gluon Zayıf → W± ,Z E.Magnetik → Foton Gravitasyon → Graviton
  • 10. 2. Süpersimetri (SUSY) “Süpersimetri, fermiyon ve bozon durumları arasında, bir Q operatörüyle ile tanımlanan dönüşümlere bağlı uzay zaman simetrisidir. Bu dönüşümlere süpersimetrik dönüşümler denir.” (Martin F. Sohnius) nB = nF Clifford Cebri: V:Vektor uzayı, F: C alan Q(λ) = λ2 Örn: Dirac Matrisleri Coleman-Mandula teoreminin Haag-Lopuszanski-Sohnius tarafından ortaya atılan açılımına göre SUSY bir Lie super cebri olduğu için mümkündür. BozonFermiyonQ =FermiyonBozonQ =
  • 12. 2. Süpersimetri (SUSY) Süpermultiplet: Bir süpersimetrik teorideki tek-parçacık durumunun süpersimetrik cebre göre indirgenemez tek temsilidir. Her supermultiplet içinde fermiyon ve bozon durumları vardır. Süpermultiplet içindeki parçacıklar birbirinin süper eşidir. Q ve Q+ süpersimetri jeneratörleridir. Süpersimetrik modeller bu jenaröterlerin sayısına göre N = 1, 2, 3..vs. isimlendirilirler. P, uzay-zaman dönüşümlerinin 4lü momentum jeneratörü Noether Teoremine göre Süperakım korunur. 0],[],[ 0},{},{ },{ == == = + ++ + QPQP QQQQ PQQ µµ µ
  • 13. 2.1 Önemli Motivasyonlar SM’de Serbest Parametreler • 3 ayar çiftlenim sabiti • Yukawa sabiti λ ve kütle m (Higgs sektörüne ait) • 6 kuark (u,d,c,s,t,b) ve 3 lepton (e,μ,τ) kütlesi • 3 karışım açısı • 1 CP-ihlali fazı (Kuark sisteminde) • 1 QCD çiftlenim parametresi θ +-------------------------------------- • Toplam 19 parametre ! Daha az sayıda serbest Parametre olabilir mi? • Ayar Hiyerarşi Problemi • SM Karakteristik enerji ölçeği: MW ~100 GeV • Gravitasyon Karakteristik enerji ölç.: MP ~ 1019 GeV • Skaler Bozon kütlelerinin kuadratik ıraksaması
  • 14. Nötrino Salınımları (Deneysel Kanıt) Nötrinoların çeşni(kütle) ve etkileşme arasındaki ilişki α = e (elektron) , μ (muon) , τ (tau) -> Kütle özdurumları i = 1, 2, 3 -> Etkileşme özdurumları U = Maki-Nakagawa-Sakata karışım matrisi (MNS) Deneyler: MiNiBooNe , K2k , Kamiokande Sonuç: Nötrinolar kütleli ! 2.1 Önemli Motivasyonlar α α α αα νν νν ∑ ∑ = = ii i i i U U * dlvW +→+ α
  • 15. Nötrino kütleleri (Seesaw Mechanism): Lagranjiende Dirac Kütle terimleri Majorana Kütle terimleri L,R nötrino helisite durumları, C yük konjugasyonu ve Bütün terimleri matris notasyonunda tek bir Lagranjiende toplarsak; Kütle matrisinin öz değerleri yaklaşık m ~ 10-2 GeV alınırsa M ~ 1014 GeV ! 2.1 Önemli Motivasyonlar
  • 17. 2.3 Temel Prensipler dönüşümlerini Є1 ve Є2 şeklinde çift spinörlü yazdığımızda cebrin kapanması için aşağıdaki şartın sağlanması gerekir: Buna kabuk durumunda (on-shell) cebrin kapanması denir. Ancak süpersimetri cebri kabuk dışı (off-shell) için de kapanmalı. Bunu sağlamak için Lagranjiene yardımcı yeni bir alan eklememiz gerekir. W; süpersimetrik potansiyel olarak adlandırılır. Süpersimetrik modeller W seçimine bağlı olarak oluşturulur.
  • 18. 2.4 Wess-Zumino Modeli Kütlesiz ve Lagranjieni etkileşim içermeyen en basit süpersimetrik modeldir. Doğal olma problemine aşağıdaki gibi çözüm getirir. 1. İki serbestlik derecesine sahip bir kompleks skaler alan için 2. İki serbestlik derecesine sahip Majorana spinörüyle tanımlı bir fermiyon alanı Lagranjiendeki kinetik terim; Lagranjiendeki etkileşim terimi; Süperpotansiyel; Son ifadeden aşağıdaki diagramlar için köşe faktörlerini yazıp genliğe gelecek katkıları hesaplayalım… 2/)( iBA +=φ ψψψ == TC C ψγψψγψφφ ν ν µ µ µ µ ν ν µ µ ∂+∂∂+∂∂=∂+∂∂= 22 1 2 1 2 * i BBAA i Lk       +−−= RLLRi d Wd d Wd d dW L ψψ φ ψψ φφ 2 2 2 22 2 1 32 3 1 2 1 )( λφφφ += mW ψγψ λ ψψ λλ )( 22 1 )( 4 )( 2 )( 2 1 5222 2 22222 iBAmBABAA m BAmLi −−−+−+−+−=
  • 19. 2.4 Wess-Zumino Modeli 1) 2) 3) Not: Alanlar süper simetrik alınmadığından tam sadeleşme olmaz. 224 4 2 224 42 1 )2( 3 )2( 34 4 mk kd mk ikd x i − = − − ∫∫ π λ π λ 224 4 2 224 42 1 )2()2( 2 2 mk kd mk ikdi − = − − ∫∫ π λ π λ ( ) } ]))[(( 4 )2()( 1 )2( 1 )2( {2 )()2( 2 2 2222 22 4 4 224 4 224 4 2 4 42 ∫∫∫ ∫ −−− − + −− + − −=       −−−       −− mkpmk mpkd mpk kd mk kd mpk i mk i Tr kdi πππ λ π λ
  • 20. 3. Süpersimetrik Kozmoloji Big Bang: Evrenin son derece yoğun ve sıcak bir “tekillik” sonrası genişleyerek oluştuğunu savunur. Olbers Paradoksu: (1823) Sonsuz sayıda yıldız olmasına rağmen evren neden karanlıktır? 1. Evren gençtir ve yalnızca 10 milyar yıldır ışık saçmaktadır. 2. Evren termodinamik dengeden kaçınacak biçimde genişlemektedir. → D: Uzaklık, v: Hız, H: Hubble sbt. ~ 70.1 ± 1.3 km/s/Mpc DHv 0=     =−=−= ρ πρπ 3 2 3 4 , 3 4 .. RM GmR R mMG EP 22 2 1 .. RmHEK = G H EPEK π ρ 8 3 .. 2 =⇒= 330 /105.4 cmgc − ×=ρKritik Yoğunluk: Ω≡ cρ ρ
  • 21. 3. Süpersimetrik Kozmoloji Düzlük Problemi: Sürekli genişleyen evren yüzeyi giderek düzleşerek düz evren modeli ile ayırt edilemez olmuştur. Kritik yoğunluktaki bir evren modelinde “WIMP” olmak zorundadır ! Anlamlı Sayılar: Kozmolojik parametrelerin dahil olduğu sınırlardır. 22.0 0 ≤Ω≤
  • 22. MSSM: Süpersimetri kırılmasının açıklandığı ve ayrıntılı süperpotansiyellerin yazıldığı supersimetrik modeldir. Başlangıç için süper potansiyel; alınabilir ve kiral süpermultipletlere karşılık gelen alanlar olarak düşünülebilir. Ancak toplam potansiyel içinde Baryon ve Lepton korunum yasalarına uymayan aşağıdaki terimler de vardır, Baryon – Lepton korunumunu sağlamak için aşağıdaki gibi bir kuantum sayısı tanımlanır; (R-parite) 3. Süpersimetrik Kozmoloji
  • 23. 3. Süpersimetrik Kozmoloji R-paritesinin korunumunun önemli sonuçları vardır: 1. PR=-1 paritesine sahip olan en hafif s-parçacık (LSP) kesinlikle stabil olmalıdır. Eğer elektriksel olarak nötral ise sadece sıradan madde ile etkileşime girer. LSP, bu özelliği ile non-baryonik kara cisim için iyi bir adaydır. 2. LSP dışındaki s-parçacıklar hemen (anında) tek sayıda LSP içeren durumlara bozunmalıdır. (genellikle tek bozunma) 3. Çarpıştırıcı deneylerinde, s-parçacıklar çiftler halinde üretilmelidir. Madde Paritesi : R-paritesinin spin etkisini göz ardı eden şekli olarak bilinir. Her iki korunum yasası da MSSM içinde açıklanmaktadır. Fakat MSSM’in bazı açılımlarında R-parite korunumu ihlal edilir, alternatif korunumlar ortaya konur ya da bu simetrinin kırıldığı söylenir.
  • 24. 4.Karanlık Madde Karanlık Madde: Büyük Patlama teorisine göre evrenin oluşumundan bu yana hiçbir maddeyle doğrudan etkileşime girmeyen ve gözlenemeyen kayıp maddedir. Evrendeki kayıp maddenin varlığı ayrıntılı gravitasyon hesaplamalarıyla ilk defa 1933 de Fritz Zwicky tarafından farkedilmiştir. Karanlık maddenin varlığı Büyük Patlamanın varlığı ile birlikte 1965 yılında Kozmik Mikrodalga Fon ışınımı (CMB) yoluyla gösterilmiştir. Bu ışınım 2.725°K ısısında, 160.2 GHz frekansla 1.9mm dalga boyuna sahiptir.
  • 25. 4.Karanlık Madde Karanlık maddenin yapısında olabileceği düşünülen parçacıklar şunlar; Baryonik Karanlık madde: Rydberg maddesi. Non-Baryonik Karanlık madde: Sıcak Karanlık madde: Ultra göreli hızlardaki non-baryonik parçacıklar Ilık Karanlık Madde: Göreli hızlarda hareket eden non- baryonik parçacıklar Soğuk Karanlık Madde: Düşük hızlarda hareket eden non- baryonik parçacıklar Non-Baryonik Soğuk karanlık madde kapsamında aşağıdaki süpersimetrik parçacıkların iyi birer aday oldukları bilinmektedir: Nötralino Gravitino Axino
  • 26. 4.1. Nötralino • MSSM’de Süpersimetrinin kırılmasıyla birlikte (Standart Modelde olduğu gibi) yeni bozonlar kütle kazanır. • Standart Modelde, W+ W- ve Z0 bozonlarının süper eşleri SUSYde yüklü chargino ve yüksüz nötralino parçacıklarıdır. • Yüksüz olması, az etkileşmesi ve en hafif s-parçacık olarak öngörülmesi nedeniyle nötralino kara madde adayı parçacıktır. • Kütlesinin ~100 GeV mertebelerinde olacağı öngörülmektedir. • Şimdiye kadar TEVATRON ve LEP deneylerinde gözlenememiştir, nedeni dedekte edilmekten kaçması ve bir enine enerji bileşenine ET sahip olmasıdır. • LHC deneyinin ilk bulgularından biri olacağı düşünülmektedir. 0~ lχ + lχ~ − lχ~ 0~ lχ
  • 27. 4.1. Nötralino MSSM’de Feynman kurallarına göre genliği yazarsak;
  • 28. 4.1. Nötralino Comphep yardımıyla Nötralino çift üretimi: Parametreler: Mu=1000 MG1=110 MG2=200 Ml2=1000 Mr2=1000 tanβ=10
  • 29. 4.2. Gravitino •Gravitino, spini 2 olan kütle çekim ara parçacığının gravitonun süpersimetrik eşidir. •Gravitino, Süpersimetride global simetriden lokal simetrilere geçildiğinde ortaya çıkacak Süpergravitasyon (SUGRA) alanının öncü parçacığıdır. •SM ayar grubuna göre gravitino parçacığı singlettir ve etkileşmeleri süpergravite Lagranjieni ile elde edilebilir. •Eğer gravitino varsa bu bir spin 3/2 vektör-fermiyondur ve böylece Rarita-Schwinger denklemine uyar. •Stabil yada Unstabil olacağı iki durum öngörülmektedir. Gravitino; ancak stabil parçacıksa karanlık madde adayı olabilir. •En önemli etkileşmesi; ττ G ~~ → LR τϕτϕτ ττ ~)sin(~)cos(~ += ]~)~()~[( 2 1 * 2/3 µν µνµ νµ ν ψγγτττγγψτ LRRR P PDPD M L +−= RR ieAD ττ ννν ~)(~ +∂= GeVxGM NP 182/1 10436.2)8( == − π 2/33 mMM PSusY =
  • 30. 4.2. Axino QCD’de CP-simetrisinin bozulması “güçlü CP-bozulması” olarak adlandırılır. Lagranjienin son terimindeki θ sabiti CP bozulmasına yol açmaktadır. Peccei-Quinn Mekanizması olarak bilinen teoriye göre θ, dinamik bir alan olarak tanımlanır ve karşılık gelen parçacığa “axion” adı verilir. Bu alanın getirdiği potansiyel ifadesi son terimin sadeleşmesini sağlar. Axino; “axion” parçacığının süpersimetrik eşidir. (spin=1/2)
  • 31. Sonuçlar • Gelecek senelerde SUSY ve diğer simetriler deneysel ve teorik anlamda araştırılmaya devam edecektir. • Karanlık Maddenin ne olduğunun belirlenmesi Kozmoloji ve YEF alanında devrim niteliği taşıyacaktır. • SUSY deneysel olarak doğrulanmasa bile Fiziğe katkısı tartışılmaz derecede büyüktür.
  • 33. • Supersymmetry (Oxford Graduate Texts) Pierre Binetruy – Oxford 2006 • A Supersymmetry Primer (hep-ph/970376) Stephen P. Martin – 2006 • Sparticles (World Scientific Press) M. Drees, R.Godbole, P. Roy – 2006 • Introducing Supersymmetry () Martin F. Sohnius – • Supersymmetry (North-Holland Publishing Co.) P.Fayet, S.Ferrara – 1976 • Prospects to study a long-lived charged Next Lightest Supersymmetric Particle at LHC (SISSA ) K.Hamaguchi, M.Nojiri, A.Roeck – 2007 • Supersymmetric Dark Matter Candidates (hep-ph/1240) D.Steffen – 2007 • Supergravity at Colliders (Physics Letters) W.Buchmüller, K.Hamaguchi, M.Ratz, T.Yanagida – 2004 • "To name something is not generally to understand it." • Innumeracy: Mathematical Illiteracy and its Consequences(1988)-John Allen Paulos Referanslar