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CANDIDATI DI MATERIA OSCURA DA NUOVA FISICA DELLE PARTICELLE Antonio Masiero Univ. di Padova INFN,...

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CANDIDATI DI MATERIA OSCURA DA NUOVA FISICA DELLE PARTICELLE Antonio Masiero Univ. di Padova INFN, Padova MATERIA OSCURA, BOLOGNA, 14 DICEMBRE, 2007
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CANDIDATI DI MATERIA OSCURA DA NUOVA FISICA

DELLE PARTICELLE

Antonio Masiero

Univ. di Padova

INFN, Padova

MATERIA OSCURA, BOLOGNA, 14 DICEMBRE, 2007

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UNIFICATION ofFUNDAMENTAL INTERACTIONS

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THE G-W-S STANDARD MODEL

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The HIGGS BOSON CONDENSATE• “SOMETHING” fills the Universe: it

“disturbs” Weak interactions making them SHORT-RANGED, while it does NOT affect gravity or electromagnetism.

• WHAT IS IT? • Analogy with

SUPERCONDUCTIVITY: in a superconductor the magnetic field gets repelled ( Meissner effect) and penetrates only over the “penetration length”, i.e. the magnetic field is short-ranged source which disturbs are the boson condensates, Cooper pairs.

• We are “swimming” in Higgs Boson Condensates its value at the minimum of its potential determines the masses of all particles!

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Where all masses come from: the HIGGS mechanism

The Higgs has already “shown up” as a VIRTUAL particle in electroweak radiative effects

THE HIGGS MECHANISM CAN BE REALIZED BY THE PRESENCE OF AN ELEMENTARY HIGGS PARTICLE

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INDICAZIONI DI NUOVA FISICA AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD

• MASSA DEI NEUTRINI• ESISTENZA DI MATERIA OSCURA NON COSTITUITA

DALLA “SOLITA” MATERIA (protoni, neutroni) • ASIMMETRIA COSMICA TRA MATERIA E

ANTIMATERIA: ESISTENZA DI UNA NUOVA SORGENTE DI VIOLAZIONE DI CP OLTRE A QUELLA PREVISTA DAL MODELLO STANDARD

• DOMANDE “FONDAMENTALI” A CUI IL MODELLO STANDARD NON RISPONDE:

- UNIFICAZIONE DELLE FORZE FONDAMENTALI - MASSE E MESCOLAMENTI DEI FERMIONI- “STABILITA’” DELLA SCALA DI ENERGIA A CUI I

BOSONI W e Z PRENDONO MASSA ( circa 100 GeV)

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MICRO MACROPARTICLE PHYSICS COSMOLOGY

GWS STANDARD MODEL HOT BIG BANG STANDARD MODEL

HAPPY MARRIAGE Ex: NUCLEOSYNTHESIS

BUT ALSO POINTS OF FRICTION

-COSMIC MATTER-ANTIMATTER ASYMMETRY

-INFLATION

- DARK MATTER + DARK ENERGY

“OBSERVATIONAL” EVIDENCE FOR NEW PHYSICS BEYOND

THE (PARTICLE PHYSICS) STANDARD MODEL

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THE ENERGY BUDGET OF THE UNIVERSE (as of Dec. 2007)

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DM: the most impressive evidence at the “quantitative” and “qualitative” levels of

New Physics beyond SM • QUANTITATIVE: Taking into account the latest WMAP data

which in combination with LSS data provide stringent bounds on DM and B EVIDENCE FOR NON-BARYONIC DM AT MORE THAN 10 STANDARD DEVIATIONS!! THE SM DOES NOT PROVIDE ANY CANDIDATE FOR SUCH NON-BARYONIC DM

• QUALITATIVE: it is NOT enough to provide a mass to neutrinos to obtain a valid DM candidate; LSS formation requires DM to be COLD NEW PARTICLES NOT INCLUDED IN THE SPECTRUM OF THE FUNDAMENTAL BUILDING BLOCKS OF THE SM !

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THE RISE AND FALL OF NEUTRINOS AS DARK MATTER

• Massive neutrinos: only candidates in the SM to account for DM. From here the “prejudice” of neutrinos of a few eV to correctly account for DM

• Neutrinos decouple at ~1 MeV ; being their mass<<decoupling temperature, neutrinos remain relativistic for a long time. Being very fast, they smooth out any possible growth of density fluctuation forbidding the formation of proto-structures.

• The “weight” of neutrinos in the DM budget is severely limited by the observations disfavoring scenarios where first superlarge structures arise and then galaxies originate from their fragmentation

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LSS PATTERN AND NEUTRINO MASSES

(E..g., Ma 1996)

m = 0 eV m = 1 eV

m = 7 eV m = 4 eV

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Cosmological Bounds on the sum of the masses of the 3 neutrinos from increasingly rich samples of data sets

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TEN COMMANDMENTS TO BE A “GOOD”

DM CANDIDATE • TO MATCH THE APPROPRIATE RELIC DENSITY

• TO BE COLD

• TO BE NEUTRAL

• TO BE CONSISTENT WITH BBN

• TO LEAVE STELLAR EVOLUTION UNCHANGED

• TO BE COMPATIBLE WITH CONSTRAINTS ON SELF – INTERACTIONS

• TO BE CONSISTENT WITH DIRECT DM SEARCHES

• TO BE COMPATIBLE WITH GAMMA – RAY CONSTRAINTS

• TO BE COMPATIBLE WITH OTHER ASTROPHYSICAL BOUNDS

• “TO BE PROBED EXPERIMENTALLY”

BERTONE, A.M., TAOSO

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WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles)

#~#

m

# exp(-m/T)# does not change any more

Tdecoupl. typically ~ m /20

depends on particle physics (annih.) and “cosmological” quantities (H, T0, …

h2_ ~ 10-3

<(annih.) V > TeV2

~ 2 / M2 From T0 MPlanck

h2 in the range 10-2 -10-1 to be cosmologically interesting (for DM)

m ~ 102 - 103 GeV (weak interaction) h2 ~ 10-2 -10-1 !!!

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INDICAZIONI DI NUOVA FISICA AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD

• MASSA DEI NEUTRINI• ESISTENZA DI MATERIA OSCURA NON COSTITUITA

DALLA “SOLITA” MATERIA (protoni, neutroni) • ASIMMETRIA COSMICA TRA MATERIA E

ANTIMATERIA: ESISTENZA DI UNA NUOVA SORGENTE DI VIOLAZIONE DI CP OLTRE A QUELLA PREVISTA DAL MODELLO STANDARD

• DOMANDE “FONDAMENTALI” A CUI IL MODELLO STANDARD NON RISPONDE:

- UNIFICAZIONE DELLE FORZE FONDAMENTALI - MASSE E MESCOLAMENTI DEI FERMIONI- “STABILITA’” DELLA SCALA DI ENERGIA A CUI I

BOSONI W e Z PRENDONO MASSA ( circa 100 GeV)

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LOW-ENERGY SUSY AND UNIFICATION

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“MASS PROTECTION”For FERMIONS, VECTOR (GAUGE) and SCALAR BOSONS

-FERMIONS chiral symmetry

fL fR not invariant

under SU(2)x U(1)-VECTOR BOSONS gauge symmetry

SIMMETRY PROTECTION

FERMIONS and W,Z VECTOR BOSONS can get a mass only when the elw. symmetry is broken mf, mw ≤ <H>

NO SYMMETRY PROTECTION FOR SCALAR MASSES

“INDUCED MASS PROTECTION”Create a symmetry (SUPERSIMMETRY)Such that FERMIONS BOSONS

So that the fermion mass “protection” acts also on bosons as longas SUSY is exact

SUSY BREAKING ~ SCALE OF 0 (102-103 Gev)

LOW ENERGY SUSY

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The Energy Scale from the“Observational” New Physics

neutrino masses

dark matter

baryogenesis

inflation

NO NEED FOR THE NP SCALE TO BE CLOSE TO THE ELW. SCALE

The Energy Scale from the “Theoretical” New Physics

Stabilization of the electroweak symmetry breaking at MW calls for an ULTRAVIOLET COMPLETION of the SM already

at the TeV scale +

CORRECT GRAND UNIFICATION “CALLS” FOR NEW PARTICLES AT THE ELW. SCALE

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IS THE FINE-TUNING A REAL PROBLEM?

• WARNING: THERE EXISTS AN EVEN “LARGER” HIERARCHY OR FINE -TUNING OR NATURALNESS PROBLEM: THE COSMOLOGICAL CONSTANT PROBLEM (“ THE MOTHER” OF ALL NATURALNESS PROBLEMS); SO FAR, WE SIMPLY “ACCEPT” SUCH FINE-TUNING!

• (OUTRAGEOUS) POSSIBILITY: THE “THEORY OF EVERYTHING” COULD BE UNIQUE, BUT WITH MANY (INFINITE?) VACUA EACH GIVING RISE TO A DIFFERENT UNI-VERSE ( MULTI-VERSE POSSIBILITY). WE CAN LIVE ONLY IN THE VERY RESTRICTED CLASS OF THE “MULTI-VERSE SPACE” WHERE THE “BOUDARY CONDITIONS” ( FOR INSTANCE, THE VALUE OF THE COSMOLOGICAL CONSTANT OR THE SCALE OF THE ELW.SYMMETRY BREAKING AND, HENCE, THE HIGGS MASS) EXHIBIT VALUES ALLOWING FOR THE CORRECT BBN, LSS,… OUR LIFE!

ANTHROPIC PRINCIPLE

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HOW TO COPE WITH THE HIERARCHY PROBLEM

• LOW-ENERGY SUSY

• LARGE EXTRA DIMENSIONS

• DYNAMICAL SYMMETRY BREAKING OF THE ELW. SYMMETRY

• LANDSCAPE APPROACH (ANTHROPIC PRINCIPLE)

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STRADE PER ANDARE AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD

1) NON ESISTE NESSUNA SCALA DI ENERGIA OLTRE QUELLA DEL MS: la gravita’ e’ una forza molto debole perche’ esistono NUOVE DIMENSIONI oltre alle 3+1 spazio-temporali “nostre”

VISIBILITA’ A LHC: ESISTONO STATI ECCITATI ( DI KALUZA-KLEIN) ED ALCUNI SONO A SCALA ACCESSIBILE A LHC ( il piu’ leggero KK puo’ essere una particella stabile e costituire la materia oscura)

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STRADE OLTRE SM (II)

• 2) NON ESISTE IL PROBLEMA DI “TRATTENERE” LA MASSA DEL BOSONE DI HIGGS A 100 GEV PERCHE’ L’HIGGS E’ UN OGGETTO COMPOSTO

VISIBILITA’ A LHC: NUOVE INTERAZIONI CHE PRODUCONO IL CONDENSATO DI FERMIONI CHE CHIAMIAMO HIGGS ( nuove risonanze, nuovi stati legati, una nuova QCD a 1 TeV)

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STRADE OLTRE SM (III)

• 3) LA MASSA DELL’HIGGS E’ “PROTETTA” A 100 – 1000 GEV PERCHE’ ESISTE UNA NUOVA SIMMETRIA, LA SUPERSIMMETRIA

VISIBILITA’ A LHC: VEDREMO LE PARTICELLE SUPERSIMMETRICHE E LE LORO INTERAZIONI. LA PIU’ LEGGERA PARTICELLA SUSY PUO’ ESSERE STABILE E COSTITUIRE LA MATERIA OSCURA. AL TEMPO STESSO POTREMMO SCOPRIRE SUSY E LA SORGENTE DEL 90% DELLA MATERIA PRESENTE NELL’UNIVERSO

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HIERARCHY PROBLEM: THE SUSY WAY

SUSY HAS TO BE BROKEN AT A SCALE CLOSE TO 1TeV LOW ENERGY SUSY

m2 2 Scale of susy breaking

F

Ff f

B

B

Sm2 ~( B - 2

f ) 2

16 2

[m2 B - m2

F ]1/2 ~ 1/√GF

BF In SUSY multiplet

SPLITTING IN MASS BETWEEN B and F of O ( ELW. SCALE)

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IS SUSY PRESENT IN NATURE?

• I think that it is very likely that SUSY is present as a fundamental symmetry of Nature: it is the most general symmetry compatible with a good and honest QFT, it is likely to be needed to have a consistent STRING theory ( super-string), in its local version ( local supersymmetry or supergravity) it paves the way to introduce and quantize GRAVITY in a unified picture of ALL FUNDAMENTAL INTERACTIONS

• Much more debatable is whether it should be a LOW-ENERGY SYMMETRY ( i.e. effectively broken at the elw. Scale) or a HIGH-ENERGY SYMMETRY (i.e. broken at the Planck scale, or at the string compactification scale)

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D. KAZAKOV

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IN SUSY WE NEED TO INTRODUCE AT LEAST TWO HIGGS DOUBLETS IN ORDER TO PROVIDE A MASS FOR BOTH THE UP- AND DOWN- QUARKS

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BREAKING SUSY• The world is clearly not supersymmetric:

for instance, we have not seen a scalar of Q=1 and a mass of ½ MeV, i.e. the

selectron has to be heavier than the electron and, hence, SUSU has to be broken

SUSY HAS TO BE BROKEN AT A SCALE > 100 GeV

SINCE NO SUSY PARTNERS HAVE BEEN SEEN

UP TO THOSE ENERGIES, roughly

COLORED S-PARTICLE MASSES > 200 GeV

UNCOLORED S- PARTICLE MASSES > 100 GeV

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WHICH SUSYHIDDEN

SECTOR SUSY BREAKING AT

SCALE F

OBSERVABLE SECTOR

SM + superpartnersMSSM : minimal content

of superfields

ME

SS

EN

GE

RSF = MW MPl

GRAVITY

Mgravitino ~ F/MPl ~ (102 -103) GeV

GAUGE INTERACTIONS

F = (105 - 106) GeV

Mgravitino ~ F/MPl ~

(102 - 103)eV

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THE FATE OF B AND L IN THE SM AND MSSM

• IN THE SM B AND L ARE “AUTOMATIC” SYMMETRIES: NO B or L VIOLATING OPERATOR OF DIM.≤4 INVARIANT UNDER THE GAUGE SIMMETRY SU(3) X SU(2) X U(1) IS ALLOWED ( B AND L ARE CONSERVED AT ANY ORDER IN PERTURBATION THEORY, BUT ARE VIOLATED AT THE QUANTUM LEVEL (ONLY B – L IS EXACTLY PRESERVED )

• IN THE MSSM, THANKS TO THE EXTENDED PARTICLE SPECTRUM WITH NEW SUSY PARTNERS CARRYING B AND L, IT IS POSSIBLE TO WRITE ( RENORMALIZABLE) OPERATORS WHICH VIOLATE EITHER B OR L

• IF BOTH B AND L VIOLATING OPERATORS ARE PRESENT, GIVEN THAT SUSY PARTNER MASSES ARE OF O(TEV), THERE IS NO WAY TO PREVENT A TOO FAST PROTON DECAY UNLESS THE YUKAWA COUPLINGS ARE INCREDIBLY SMALL!

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D. kAZAKOV

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ADDITIONAL DISCRETE SYMMETRY IN THE MSSM TO SLOW DOWN P - DECAY

• SIMPLEST (and nicest) SOLUTION: ADD A SYMMETRY WHICH FORBIDS ALL B AND L VIOLATING OPERATORS

R PARITY

• SINCE B AND L 4-DIM. OPERATORS INVOLVE 2 ORDINARY FERMIONS AND A SUSY SCALAR PARTICLE, THE SIMPLEST WAY TO ELIMINATE ALL OF THEM:

R = +1 FOR ORDINARY PARTICLES R = - 1 FOR SUSY PARTNERS

IMPLICATIONS OF IMPOSING R PARITY:i) The superpartners are created or destroyed in pairs;

ii) THE LIGHTEST SUPERPARTNER (LSP) IS ABSOLUTELY STABLE

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BROKEN R PARITY• PROTON DECAY REQUIRES THE

VIOLATION OF BOTH B AND L

NOT NECESSARY TO HAVE R PARITY TO KILL B AND L VIOLATING OPERATORS

ENOUGH TO IMPOSE AN ADDITIONAL DISCRETE SYMMETRY TO FORBID EITHER B OR L VIOLATING OPERATORS; RESTRICTIONS ON THE YUKAWA COUPLINGS OF THE SURVIVING B OR L VIOLATING OPERATORS

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D. KAZAKOV

124 FREE PARAM.

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CMSSM + RADIATIVE ELW. BREAKING: A 4 – PARAMETER WORLD

• FREE PARAM. IN THE CMSSM :

IMPOSING THE RAD. BREAKING OF THE ELW. SYMMETRY ONE ESTABLISHES A RELATION BETWEEN THE ELW. BREAKING SCALE AND THE SOFT SUSY PARAMETERS FURTHER REDUCING THE NUMBER OF THE FREE PARAM. IN THE CMSSM TO FOUR , FOR INSTANCE THE FIRST FOUR PARAM. ABOVE + THE SIGN OF µ ( THE ELW. SYMM. BREAKING FIXES ONLY THE SQUARE OF µ

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A FEW % FINE-TUNING ON THE SUSY PARAM. IS NEEDED TO AVOID CONFLICT WITH SUSY AND HIGGS SEARCHES

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SUSY & DM : a successful marriage

• Supersymmetrizing the SM does not lead necessarily to a stable SUSY particle to be a DM candidate.

• However, the mere SUSY version of the SM is known to lead to a too fast p-decay. Hence, necessarily, the SUSY version of the SM has to be supplemented with some additional ( ad hoc?) symmetry to prevent the p-decay catastrophe.

• Certainly the simplest and maybe also the most attractive solution is to impose the discrete R-parity symmetry

• MSSM + R PARITY LIGHTEST SUSY PARTICLE (LSP) IS STABLE .

• The LSP can constitute an interesting DM candidate in several interesting realizations of the MSSM ( i.e., with different SUSY breaking mechanisms including gravity, gaugino, gauge, anomaly mediations, and in various regions of the parameter space).

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STABLE ELW. SCALE WIMPs from PARTICLE PHYSICS

1) ENLARGEMENT OF THE SM

SUSY EXTRA DIM. LITTLE HIGGS. (x, ) (x, ji) SM part + new part

Anticomm. New bosonic to cancel 2

Coord. Coord. at 1-Loop2) SELECTION RULE

DISCRETE SYMM.

STABLE NEW PART.

R-PARITY LSP KK-PARITY LKP T-PARITY LTP

Neutralino spin 1/2 spin1 spin0

3) FIND REGION (S) PARAM. SPACE WHERE THE “L” NEW PART. IS NEUTRAL + ΩL h2 OK

* But abandoning gaugino-masss unif. Possible to have mLSP down to 7 GeV

mLSP

~100 - 200

GeV *

mLKP

~600 - 800

GeV

mLTP

~400 - 800

GeV

Bottino, Donato, Fornengo, Scopel

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WHO IS THE LSP?

• SUPERGRAVITY ( transmission of the SUSY breaking from the hidden to the obsevable sector occurring via gravitational interactions): best candidate to play the role of LSP:

NEUTRALINO ( i.e., the lightest of the four eigenstates of the 4x4 neutralino mass matrix)

In CMSSM: the LSP neutralino is almost entirely a BINO

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GRAVITINO LSP?

• GAUGE MEDIATED SUSY BREAKING

(GMSB) : LSP likely to be the GRAVITINO ( it can be so light that it is more a warm DM than a cold DM candidate )

Although we cannot directly detect thegravitino, there could be interesting signatures from the next to the LSP ( NLSP) : for instance the s-tau could decay into tau and gravitino,Possibly with a very long life time, even of the order of days or months

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SEARCHING FOR WIMPs

WIMPS HYPOTHESIS

DM made of particles with mass 10Gev - 1Tev

ELW scale

With WEAK INTERACT.

LHC, ILC may PRODUCE WIMPS

WIMPS escape the detector MISSING ENERGY

SIGNATURE

FROM “KNOWN” COSM. ABUNDANCE OF WIMPs PREDICTION FOR WIMP PRODUCTION AT COLLIDERS WITHOUT SPECYFING THE PART. PHYSICS MODEL OF WIMPs

BIRKEDAL, MATCHEV, PERELSTEIN , FENG,SU, TAKAYAMA

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Tightness of the DM constraints in Minimal Supergravity

Ellis, Olive, Santoso, Spanos

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LFV - DM CONSTRAINTS IN MINIMAL SUPERGRAVITY

A.M., Profumo, Vempati, Yaguna

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DM SUSY:HOW FAR ARE WE IN DIRECT SEARCHES?

Ellis et al.

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A.M., PROFUMO, ULLIO

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SPIN - INDEPENDENT NEUTRALINO - PROTON CROSS SECTION FOR ONE OF THE SUSY PARAM. FIXED AT 10 TEV

Page 48: CANDIDATI DI MATERIA OSCURA DA NUOVA FISICA DELLE PARTICELLE Antonio Masiero Univ. di Padova INFN, Padova MATERIA OSCURA, BOLOGNA, 14 DICEMBRE, 2007.

A.M., PROFUMO,ULLIO

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DM DEDO THEY “KNOW” EACH OTHER?

DIRECT INTERACTION (quintessence) WITH DARK MATTER DANGER:

Very LIGHTm ~ H0

-1 ~ 10-33 eVThreat of violation of the equivalence principle constancy of the fundamental “constants”,…

INFLUENCE OF ON THE NATURE AND THE ABUNDANCE OF CDM

Modifications of the standard picture of WIMPs FREEZE - OUT

CDM CANDIDATESCATENA, FORNENGO, A.M., PIETRONI, SCHELKE

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NEUTRALINO RELIC ABUNDANCE IN GR AND

S-T THEORIES OF GRAVITY WITH ENHANCED H

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REGIONS OF THE BULK SUSY PARAM. SPACE WHERE THE NEUTRALINO RELIC ABUNDANCE FALLS IN THE COSMOLOGICAL INTERVAL FOR COLD DM

TANBETA=10

A=0 AND µ > 0

GR

ST WITH REDUCED H

CATENA, FORNENFO, A.M., PIETRONI, SCHELKE (in progress)

IF H IS REDUCED W.R.T. THE GR CASE

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FCNC, CP ≠, (g-2), ()0 m n …

LINKED TO COSMOLOGICAL EVOLUTION

Possible interplay with dynamical DE

NEWPHYSICS AT

THE ELW SCALE

DM - FLAVOR

for DISCOVERY

and/or FUND. TH.

RECONSTRUCTION

A MAJOR LEAP AHEAD IS NEEDED

LFV

NEUTRINO PHYSICSLEPTOGENESIS

TEVATRON I L C

INFLATION

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BACK-UP SLIDES

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Tightness of the DM constraint on minimal supergravity

Ellis, Olive, Santoso, Spanos

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Tightness …3

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REACH OF FUTURE FACILITIES FOR NEUTRALINO DETECTION

THROUGH ANTIMATTER SEARCHES WITH FIXED M1 = 500 GEV

N03 adiabatically contracted profile Burkert profile

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