Document

3ª Plática: Principales pruebas
fenomenológicas
 Acoplamientos de los bosones W, Z y H
 Importancia de correcciones cuánticas
 Dinámica del sabor
 Conclusiones
Un poco de fenomenología
Parámetros libres
Sector scalar+norma:
g , g ',  , h
ó
 , W , M W , M H
GF  1.166371  0.000006  10 5 GeV
O bien, los mejor
medidos:
 1  137.035999710  0.000000096
M Z  91.1875  0.0021 GeV
M H  ??
Parámetros derivados


2
  sin W  0.212



M  80.94 GeV
  W
M W2 sin 2 W 
2GF 
2
M
sin 2 W  1  W2
MZ
Decaimientos del bosón W
Razones de decaimiento:
Razón total
GF M W3
W   W  F   3  2 N C 
 2.09 GeV
6 2
F
 2.147  0.060 GeV Experiment o
BR W  l  
W  l 
1

 11.1 %
W
3  2 NC
Decaimientos del bosón Z
Nlep=1,
Razón o ancho
total
Nq=NC
Z   Z  f f   2.48 GeV
f
 2.4952  0.0023 GeV Experiment o.


 Z  l l   84.85 MeV
Universalidad de interacciones






g

g
Producción de pares de fermiones en el pico del Z

d  2

N f A 1  cos 2   B cos   h f C 1  cos 2   D cos 
d 8s


GF M Z2
s

2 2 s  M Z2  isZ / M Z


Información sobre:
• vf, af (y sin2W)
• Correcciones cuánticas
Medibles experimentalmente (y extraer A, B, C y D):
4 2
 (s) 
N f A;
3s
h f  1

APol ( s)  h

NF  NB 3 B

;
NF  NB 8 A
AFB ( s) 
h
 1

 f
C


;
h f  1
f  1
A

h
 1

h
 1

h
 1

h
 1

NF f
 NF f
 NB f
 NB f
3D
AFB , Pol ( s)  h f  1


h  1
h  1
h  1
8 A
NF
 NF f
 NB f
 NB f
Polarización
medible para f=
En el pico de la Z (s = MZ2), Re()=0, contribución despreciable de 

0, f
 
 M
2
Z
12 e  f
 2
;
2
M Z Z
 
0, f
APol
 APol M Z2  Pf ;
Pf   A f 
 2 f a f
 2f  a 2f
0, f
FB
A
3
 AFB ( M )  Pe Pf ;
4
2
Z
 
0, f
2
AFB

A
M
, Pol
FB , Pol
Z 
3
Pe
4
La polarización longitudinal promedio Pf es muy sensible a sin2W,
Pf 
 2 f a f
 2f  a 2f
1
2
l  1  4 sin 2 W  0.076  1
… y por tanto a ¡efectos cuánticos!.
Pl es una ventana a efectos cuánticos electrodébiles,
Efectos virtuales de partículas mucho más pesadas
Búsqueda de nuevas partículas pesadas
Producción directa:
Frontera de alta energía
(Tevatron, LHC)
Producción indirecta:
efectos en “loops”
Frontera alta precisión
(baja energía,
Flavor factories)
El LHC y las Fabricas de partículas juegan un papel complementario
En la búsqueda de nueva física que involucra partículas
Importancia de correcciones de QED: VP
Apantallamiento de carga
eléctrica

f

f
Efectos de VP se reabsorben en carga eléctrica y (s) crece con energía,
Orden mas bajo
 (m )  137.035999710(96)
2 1
e

 ( M Z2 ) 1  128.93  0.05


2
  sin W  0.212



M  80.94 GeV
  W
M W2 sin 2 W 
2GF 
M W2
sin W  1  2
MZ
2
Importancia de correcciones de QED: VP
Apantallamiento de carga
eléctrica

f

f
Efectos de VP se reabsorben en carga eléctrica y (s) crece con energía,
 (me2 ) 1  137.035999710(96)

 ( M )  128.93  0.05
2 1
Z
sin 2 W  0.231 (0.212)
M W  79.96 GeV (80.96 )

l  0.076  0.038
¡factor de 2!
… y de VP correcciones de QCD
g
f
g
Apantallamiento
̅f
g
g
Anti-apantallamiento

Efectos cancelan, s(s) decrece con energía (libertad asintótica)
 Correcciones gluónicas a Zqiqi, Wqiqj incrementan Z, W . Tomadas
en cuenta con NCeff NC {1+s(MZ2)/+}
11.1%  B(W   e  ) 
 3.115.
1
 10.8% [exp  (10.84  0.09)%]
eff
3  2 NC
Correcciones electrodébiles
Auto-energía
Vértices
Appelquist-Carrazone:
efectos de partículas pesadas se desacoplan
cuando se tienen acoplamientos vectoriales y simetría de norma exacta
Modelo Estándar lo evade debido a simetría chiral rota
Correcciones de autoenergía :
1
q 2  M W0 2, Z

1
q 2  M W2 , Z  i Im 
 Correcciones cuadráticas en masa del top
3% para mt=171 GeV

Correcciones logarítmicas en masa del Higgs
entre 0.1% y 1% , para
100 GeV < mH < 1000 GeV
Correcciones de vértice
Casi todas pequeñas excepto Z  bb.
f
  eff
f
af
 a eff
f
Término qq genera correcciones cuadráticas en masa del top
-1.6 % en probabilidad de Z  bb
Ajustes a datos experimentales
1 
sin 2  efflept  1  l
4  al
2 a
Pl   2 l l 2
l  al



 Fuerte evidencia de C.R.EW (no
solo )


GF M Z3
3 
2
2 
( Z  l l ) 
l  al 1 

4

6 2


 
 Se confirman universalidad vl, al
 Datos favorecen bajo mH
Rq 
Z  q q 
Z  hadrons 
Rb sensible a mt2
Rd   Vtd mt2  106  mt2
2
¿Higgs ligero o pesado?


700
mH  300 186
GeV
3
A  A e Ab
4
2 f a f
Af  2
 f  a 2f
0 ,b
FB
 mH
 mt
 
 Quarks pesados (4AFB0,b/Ab) favorece Higgs pesado
 Leptones (Al), favorece Higgs ligero
 Datos EW combinados, (Al domina), favorecen Higgs ligero
http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/
Solo datos EW de alto Q2
(SLD, LEP, D0, CDF):


mH  89  35
68%  min  1
26 GeV ,
mH  158 GeV , 95%  min  2.7 
mH  185 GeV , incluye lim . inf .
Excluido por Tevatron
158  mH  175 GeV
!
Solo la observación directa del bosón de Higgs
es prueba de su existencia
Autointeracciones de bosones de norma
e e  W W 
e
W
e
W+
e+

z
¡ Vértice no-abeliano ZWW es crucial !
e e  ZZ
Z
ee
e+
Z
No evidencia de ZZ, ZZZ
Bella confirmación de la estructura de norma SU(2)LU(1)Y
Decaimientos del Higgs
H f f: 
H  WW :
H  ZZ :
mf

2mW2

mZ2

 Decaimientos mas probables en partículas mas pesadas
 Cuadrática en WW,ZZ; lineal en mt
Dinámica del sabor
 Experimentalmente:
6 quarks y 6 leptones,
organizados en 3 familias.
Única diferencia es la masa.
 Supongamos NG generaciones de fermiones (j=1, …, NG) .
Lagrangiano de Yukawa mas general:
c jku ,d ,l  constantes arbitrarias
Después del SSB (norma unitaria)  masas, mezclas, Yukawas:
Matrices de masa NG  NG:
Diagonalización:
M ' f  H f U f  ( S f M f S f )U f ,
H f  M ' f M 'f
det M ' f   0 , H f  H f definida positiva
M u  diag mu , mc , mt , M d  diag md , ms , mb 
1. Corrientes neutras y términos cinéticos de fermiones:
f 'L f L '  f L f L ,
f 'R f R '  f R f R
No existen corrientes neutras con cambio de sabor
Z 
 bs , e ,
* 
 e
2. Corrientes cargadas:
LCC
u 'L d 'L  uL Su SddL  uLVdL
n  pe  e
b  s
 


g

W u L  d L  L  eL  h.c.
2
V  Su Sd unitaria NG  NG
(d  u )
(b  t , c, u  s)
Conjugación de carga (C):
q→ - q C, P y T
Transformaciones
discretas
Conjugación de carga (C): q→ - q


Inversión espacial (P): x   x
Inversión temporal (T): t→ - t
Simetrías  leyes invariantes,
consecuencias observables
 C, P y T son simetrías de la física clásica
 Experimentos: ¡ C, P,T y CP no son simetrías de
las interacciones débiles de partículas elementales!
Violación de CP en el ME
LME  LYukawa  LHiggs  LNorma

g I  I 
u Li d LiW  d LiI   u LiI W
2
 Y Q d  Y Q  u  h.c.
d
ij
I
Li
M
I
Rj
f
diag

u
ij

2
I
Li
f
L
* I
Rj
f
f
R
V Y V
¡CP se viola si V
es compleja!

g
u LiVij  d LjW  d LiVij  u LjW
2


C
P

g
d LV t   u LW  u LV *  d LW
2
V V *
CP

Yukawas: masas y mezclas de quarks, arbitrarios cij (f)
V unitaria  NG2 parámetros reales:
N G N G  1
modulos
2
ii

ui  e ui

i j
d

e
dj

 j

 Vij  Vij e
N G N G  1
2
N G  1N G  2
2

i  j i

N G N G  1
2
2NG-1 fases inobservables
Modulos
fases
fases
NG= 2: 1 modulo, 0 fases
NG= 3: 3 modulo, 1 fases
Matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa contiene
una fase que viola CP
Parametrización de Wolfenstein exhibe jerarquía
Vus    0.2259  0.0009
Vcb  A  0.802  0.015
¡  codifica toda la violación de CP!
¿Cómo se extraen los Vij?
Desintegración de B
Pingüino
Dificultades típicas:
Mas allá de orden dominante
(QFT a todo lo que da)
Mezcla, violación CP en B
Elementos de matriz hadrónicos
(QCD no perturbativa)
La unitaridad de CKM es verificable experimentalmente
 herramienta útil para revelar nuevas fuentes de
rompimiento de la simetría de sabor
V V  VcdV  VtdV  0
*
ud ub
Triángulo unitario
*
cb
*
tb

  i   1    i   1  0
Misma área de todos
los triángulos:
k VkiV*kj= 0
Estado actual: CKMfitter octubre 2009
Vus    0.2259  0.0009
Vcb  A  0.802  0.015
Fit global a diferentes
observables
  0.139  0.024
  0.342  0.013
Area  2.93  0.1510 5
Fábricas de B CKM es la fuente
dominante de violación de
CP
Universo dominado por materia.
¿Qué pasó con la antimateria?
BAU 
n B  nB
 100%!
n B  nB
Abundancia de
núcleos ligeros
n p  D 
D  p3He  
D  p 4He  
nB  nB

n
5.11010    6.5 1010
Evolución
materia/
antimateria
10-35 seg
Condiciones a satisfacer
(Sakharov,1967):
1) Violación de número bariónico,
2) Leyes violan simetría CP
3) Procesos fuera del equilibrio
10-32~10-4 seg
10-3 seg→ ahora
Nucleosíntesis:
10 10 , requerida
nB  nB 

n
 10 18 , mod . est.

Una estimación de BAU en el ME (W. S. Hou)
 



Jarlskog (1985): Im det mu mu , md md
provee una medida
de violación CP invariante de reparametrizaciones
J
  12
T
J  mt2  mu2 mt2  mc2 mc2  mu2 mb2  md2 mb2  ms2 ms2  mu2 A







A=2  (área de TU)
T100 GeV (temperatura de EWPhT)
ME  10-20
Muuuuuuuchos parámetros (18!)
Constantes de acoplamiento: ……………………3 (g, g’, gs)
Masas fermiones ………………………………….........9 (ml, mu, md)
Mezclas en sector de quarks.……..…………….4 (A, , , )
Sector de norma……………………………………………2 (v, W)
Sector de Higgs…………………………………………….2 (, h)
- 2 condiciones
El Modelo Estándar
 Exitosa fenomenología al grado de precisión requerido.
Verdadera teoría cuántica y relativista de partículas
elementales.
 “Muchos” parámetros (18), describe miles de
observables
 ME no es la última palabra: 10/18 parámetros
relacionados, origen de Yukawas (¡ y de CP!)
 No tiene candidatos firmes para materia oscura
 No explica la asimetría materia-antimateria
cosmológica (¿más violación de CP?)
 Algunos “hints” de nueva física (g-2 muon,
física del B, anomalías en colisionadores, …)
 No incluye masas ni mezclas de neutrinos
 Estética “chafa”: unificación, naturalidad, …