CMS Deneyinde Ek Boyutlu Kara Delik Üre6m ve Bozunumu

Transkript

1 CMS Deneyinde Ek Boyutlu Kara Delik Üre6m ve Bozunumu Halil Gamsızkan Türk CERN Forumu Semineri 11 Aralık 08

2 Az sonra.. Mini kara delik fikri nereden geliyor? ADD Modeli Kara delik üre6mi Kara delik bozunumu Kara delik olayının imzası SM fon olayları CMS deneyi için KD simülasyonu Dünyanın sonu? 1

3 LHC de Mini Kara Delikler ADD Ek Boyut Modelinin (1998) bir öngörüsü. Bu model milimetre alu mesafelerde güçlenen kütleçekim kuvve6 öngörüyor. Mevcut kütleçekim yasasıyla LHC enerjilerinde kara delik üretmek mümkün değil, çünkü LHC enerjileri için öngörülen Schwarzschield yarıçapı çok küçük. Üst boyutlu mini kara delikler fikri 1998 de (Argyres et. al.), LHC de mini kara delikler fikri 1999 yılında (Landsberg et. al.) ortaya auldı. 2

4 ADD Modeli ADD Modeli: Hiyerarşi sorununa çözüm olarak önerildi. Soruna SUSY ye ih6yaç olmadan çözüm sunuyor. Model Planck kütlesini (M PL =1/ G N ) TeV skalasına indiriyor (M 4+n ). n kapalı ek boyut varsayılıyor; boyutların ortak yarıçapı R< O(mm) n=2 >7 için R 0.1 mm >10 3 fm Sadece kütleçekim (gravitonlar) tüm n boyutlu uzaya yayılabilir, diğer parçacıklar 3 boyutlu brane e hapis (sicim kuramı bağlanusı) Tüm ek boyut sayıları için deneysel alt sınır: M 4+n >~ 1 TeV. 3

5 LHC Usulü Mini Kara Delik Tarifi Malzeme: İki adet parton, partonların KM enerjisi > M 4+n Yapılışı: Partonları enerjilerine karşılık gelen Schwarzschield yarıçaplı disk içine ge6rin. Süratle servis yapın zira kara deliğiniz ~10 26 saniye içinde bozunacak. Black disk approxima6on (Parton seviyesi tesir kesi6) KD nin yaşam süresi 4

6 Özetle.. Mekanizma astrofiziksel KD üre6mi ile aynı: Herhangi bir miktar enerjiyi, ona karşılık gelen Schwarzschield yarıçaplı bir küre içine sıkışurın (Hoop Conjecture). ADD senaryosu aynı enerji için daha büyük Schwarzschield yarıçapı öngörür. LHC enerjilerinde kara delik üre6mi bu şekilde mümkün olabiliyor. 5 TeV kütleli klasik bir KD için r S =1.3x10 50 m (<<l P ) 5

7 Kara Delik Bozunumu: Hawking Işınımı Mini kara delikler dev astrofiziksel kuzenleri gibi Hawking Işınımı yayar. Mini kara delikler için Hawking ışınımı ana bozunum mekanizmasıdır. Hawking ışınımı mekanizması: SM parçacıkları yayılır. Mekanizma ısıl tabiayadır, yani yayılan parçacıkların enerji dağılımı kara deliğin Hawking sıcaklığına (T H ) karşılık gelen Planck dağılımına uyar. KD nin kütlesi azaldıkça Hawking sıcaklığı artar. Mini kara deiklerin çok hızlı bir şekilde bozunmasının nedeni budur. Bozunma esnasında bile sıcaklık artar. Mekanizma tüm parçacık türlerine eşit mesafeli: Bir parçacık türünün yayılma olasılığı DOF una eşizr (dolayısıyla ~%75 jet, ~10% yüklü lepton...) Yayılan parçacıkların açısal dağılımları homojendir. Ancak KD ilk oluştuğunda z ekseni üzerinde hareket halindedir, bu da Zenit açısı (Θ) dağılımını dikey yönü tercih ederek bozar. Mini kara delikler için T H =O(TeV) Astrofiziksel KD (M KD =3M ) için T H =10 12 ev 6

8 Kara Delik Olayının İmzası Olay imzasını Hawking Işınımı belirliyor Olaydaki parçacık türleri: Olayda her tür parçacık bulunuyor, ancak en önemlisi b quarklar, yüklü leptonlar ve fotonlar. Görece yüksek mul6plicity, ciddi miktarda hadronik faaliyet Transverse yöne önemli miktarda enerji yayılımı. Tüm parçacıklar kütlesi olaydan olaya değişebilen (rezonans/parçacıklardan farklı olarak) tek bir cisimden geliyor. 7

9 Kara Delik Olay İmzası Prompt par6cles only Unstable decays included (except Taus) 8

10 Kara Delik Olay İmzası 5 TeV black holes 9

11 CMS te M BH =4 TeV Kara Delik Olayı 10

12 SM Fon Olayları Lepton/foton içeren, transverse düzleme fazla enerji yayan ve yüksek tesir kesitli SM olayları: Süreç W+n Jet Z+n Jet Gamma + n Jet QCD dijet Lbar KD Sinyali Tesir kesi4 40 pb > pb 5 pb > 4400 pb 0.9 pb > 0.2 mb 0.1 K > 1.5 mb 1.5 pb > 62 pb 0.06 pb > 54 pb ( düşük M PL için nanobarn a kadar çıkabilir) 11

13 Kara Delik Olayı Seçimi Şu an üç ayırdedici değişken kullanmaktayız: SumET: Olaydaki tüm parçacıkların PT lerinin skaler toplamı. Ana ayırdedici değişken. Lepton+Photon mul6plicity: QCD olaylarında lepton veya foton görmeyi beklemiyoruz. Aplanarity: Sphericity tensörünün en küçük özdeğerinden hesaplanan bir Event shape variable. HLT söz konusu olduğunda, tüm parametre noktaları için yine SumET ve özellikle hadronik triggerlarında 100% e oldukça yakın etkinlik değerleri bulmaktayız. 12

14 Sinyal Fon KarşılaşUrması 13

15 Sonuçlar ilumi: 100/pb Gumbo: QCD, photon+jets Chowder: W/Z+jets, y+jets 14

16 Dünyanın Sonu? Mini kara deliklerin çeşitli ortamlarda nasıl davranacağı ayrınulı biçimde çalışılmış durumda [ör. bkz. LSAG review arxiv: ]. Çıkan sonuç ise gerçekleş6ği tak6rde KD olaylarının herhangi bir standart model ötesi sinyal olacağı. LHC de KD üre6minin herhangi bir sorun doğurmayacağına dair birkaç basit argüman: Doğa büyük patlamadan beri yüksek enerjili kozmik ışınların her türden gök cismi ile çarpışmaları çerçevesinde tam LHC programını zaten gerçekleş6rmiş durumda. Doğa saniyede lik bir hızla bunu yapmaya devam ediyor. Yüksek enerjili kozmik ışınların beyaz cüceler veya nötron yıldızları gibi yoğun gök cisimleri ile çarpışmalarında ciddi sayılarda mini kara delik üre6mi olması beklenir. Bu gök cisimleri kara deliğin çevresindeki maddeyi yutarak hızla büyüyebilmesi için çok uygun bir ortam sağlıyor. Dolayısıyla kara delikler bozunuyor olmasalardı bu tür gök cisimleri nadir gözlenir olmalı, gözlenenlerin de oldukça genç olmaları gerekirdi. Bu durum gözlemsel veri ile çelişiyor. 15

17 Sonuç ADD ek boyut modeli LHC enerjilerinde mini kara delik üre6mi öngörüyor KD üre6m tesir kesitleri pb mertebesinde KD fiziği laboratuvar ortamında uzay zamanın yapısı, genel görelilik kuramı ve quantum kütleçekim çalışabilme ortamı sağladığı için önem taşıyor KD sinyali ADD modeli ve Hawking ışınımı için deneysel kanıt sağlayacakur 16

18 Teşekkürler Sorularınız? 17