Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Dottorato di Ricerca in Fisica XX ciclo
Progetto di Tesi di Dottorato
di
Francesco Santanastasio
~
Studio del decadimento
nell’ambito del
modello di rottura di Supersimmetria GMSB
~10 G
Relatore : Prof. Egidio Longo
Correlatore : Dott. Shahram Rahatlou
Indice
Fisica teorica e fenomenologia:
Introduzione al Modello Standard
Introduzione alla Supersimmetria
~
~0 G
Il canale di decadimento 1
Fisica sperimentale:
LHC , CMS , ECAL
Calibrazione di ECAL
Conclusioni
Francesco Santanastasio
2
Il Modello Standard (SM)
Teoria che descrive le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche
tra le particelle elementari
LSM Lgauge LCC LNC LQCD
LYukawa LH
Ottimo accordo tra le predizione teoriche e i dati sperimentali
Prevede l’esistenza del Bosone di Higgs
Tale predizione non è stata ancora verificata sperimentalmente
La massa dell’ Higgs è l’unico parametro ignoto del modello
Francesco Santanastasio
3
La massa del Bosone di Higgs
Limiti sulla massa dell’Higgs :
Misura sperimentale diretta : mH 114.4 GeV C.L. 95%
58
Misura sperimentale indiretta : mH (9137 ) GeV
Teorico : mH 1 TeV (vincolo di unitarietà della teoria)
Misure dirette e indirette
Francesco Santanastasio
Limiti teorici
4
Il problema della “Gerarchia” nello SM
Le correzioni quantistiche alla massa dell’Higgs divergono
quadraticamente nel cutoff della teoria L
m
2
H
f
2
16
2
2L 6m
2
2
f
ln( L / m f ) ...
L EW 200 GeV
Scala di Planck = Scala di unificazione della Gravità alle altre forze
c
MP
1019 GeV
GN
Se L M P la massa dell’Higgs diverge e la teoria perde senso
Il Modello Standard è una teoria effettiva fino alla scala del TeV
Manifestazioni di fisica oltre il Modello Standard a questa scala di
energia
Francesco Santanastasio
5
La Supersimmetria (SUSY)
Minima estensione supersimmetrica del Modello Standard (MSSM)
Simmetria aggiuntiva tra bosoni e fermioni
Nuove particelle : S-particelle, partner
supersimmetrici delle particelle dello SM
Risoluzione del problema gerarchico
Cancellazione dei termini divergenti in mH2
~
Se SUSY fosse esatta m
s particella m particella
Le s-particelle non sono state mai osservate fino ad ora
~
m
s particella m particella SUSY è una simmetria rotta in natura
Francesco Santanastasio
6
R-Parità (RP)
Numero quantico moltiplicativo :
RPsparticelle 1
RPparticelle 1
La conservazione dell’R-Parità ha conseguenze fenomenologiche:
S-particelle prodotte in coppia (Stato iniziale ha RP = +1)
~
p p1 p2 è vietato
La s-particella più leggera (LSP) è stabile, debolmente
interagente e neutra
Energia mancante negli eventi di SUSY
E
In questo lavoro si considerano modelli in cui la R-Parità è conservata
Francesco Santanastasio
7
Modelli di rottura di SUSY
SUSY è una simmetria rotta
Diversi meccanismi di rottura :
Hidden
Sector
SUSY
Sector
Gauge Mediated SUSY Breaking (GMSB)
Messengers
Supergravità (mSUGRA) , ecc…
Con questa scelta dei parametri :
Massa crescente
GMSB : teoria con 5 parametri
Lightest Susy Particle (LSP)
~
Gravitino G (m KeV)
Next to LSP (NLSP)
Dipende dalla scelta dei parametri
Neutralino
S-tau
~10 (m 100 GeV) ~R (m 100 GeV)
M m 500 TeV
N 5 1 tan 5.0
L 90 TeV
C grav 1
NLSP ~10
c ~ 0 mm
98%
1
~
0
~
G
1
Catena di decadimento di SUSY
( 98%) 2
~
0 ~0
~
~
~
pp s1s2 ... ... 1 1 X 2G 2 X
q~
p
g~
~ 0
q
q
2
~
p
q~
q
Segnatura molto chiara di SUSY:
di alta energia
~)
E T ( G
2
~10
…
jets, leptoni ( X )
~
G
Francesco Santanastasio
9
Scoperta di SUSY nel canale
~
0
~
1 G
( 98%) 2
~
0 ~0
~
~
~
pp s1s2 ... ... 1 1 X 2G 2 X
c 0 D detector
Selezione degli eventi di SUSY :
1
di alta energia Calorimetro elettromagnetico
~ ) Calorimetro adronico ed elettromagnetico
E T ( G
jets, leptoni ( X ) Tracciatore , Camere a , Calorimetri
2
Conclusioni :
Sezioni d’urto di SUSY grande
Segnatura sperimentale chiara
eventi
SUSY ( pp ~s ~s ) 7 pb 100
giorno
LHC
Scoperta o l’esclusione nel primo anno di presa dati ad LHC
Detector:
LHC
CMS
ECAL
10
Il Large Hadron Collider (LHC)
LHC è stato costruito per investigare la scala di energia del TeV
LHC è un acceleratore circolare di 27 km di circonferenza
Collisioni pp a
s 14 TeV
Luminosità : L 2 1033 1034 cm 2s 1
Sezione d’urto totale :
TOT 100 mb
Frequenza di eventi :
dN
L
dt
eventi
pp X 10
giorno
14
eventi
pp SUSY 10
giorno
2
Francesco Santanastasio
11
L’esperimento Compact Muon Solenoid (CMS)
Completamento previsto per la metà del 2007
Simmetria cilindrica Simmetria dell’evento
Rivelatore ermetico a 360° Completa ricostruzione dell’evento
Rivelatore di alte prestazioni
Francesco Santanastasio
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Il calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL)
Un calorimetro elettromagnetico misura l’energia di e /
ECAL:
omogeneo costituito da circa 75000 cristalli scintillanti di PbWO4
PbWO4 : scintillatore rapido, r=8.28 g/cm3, X0=0.89cm, RM=2.2cm
Bassa resa di luce Fotodiodi a valanga per amplificare il segnale
26 X0 , omogeneo Ottima risoluzione in energia
E
E
a(2.7%)
b(150 MeV)
c(0.5%)
E (MeV)
E (GeV )
Per e / di alta energia (>10 GeV)
E
E
c
c = precisione della calibrazione
La calibrazione dell’ECAL
Obiettivo ambizioso di CMS : precisione della calibrazione 0.5%
Perché è importante la calibrazione dell’ECAL ?
~
0
~
Per la misura di fotoni : 1 G , H , ecc..
Attività sperimentale importante del nostro dipartimento
Allo startup di CMS ECAL calibrato al 3% (precalibrazione)
Rapida calibrazione in situ al livello del % :
Calibrazione con Z/W
Rate di produzione di Z/W :
102 Hz
Calibrazione “pulita”
Calibrazione con 0 (proposta):
Prodotti in abbondanza nelle int. pp
Z ee
W e
mese/i
0
1% ??
Giorni ??
Maggiore fondo di QCD e rumore elettronico
Non necessità tracking
Francesco Santanastasio
0.5%
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Canale di calibrazione dedicato ai 0
Elevata Statistica Come analizzare eventi ad elevata frequenza ?
109 Hz
102 Hz (Z,W,b,t,H,SUSY)
105 Hz
Resto : “fondo” QCD
L1 Trigger
102 Hz
HLT
• Selezionare eventi ricchi di 0
• Rate molto elevata :
Formato ridotto per la
descrizione dell’evento
Pre-selezione dell’output
del L1T
Stream dedicato
alla calibrazione
0
Metodi Standard
di calibrazione
Z ee
W e
Proposta : Utilizzare i “candidati e.m.
di L1” per selezionare 0 isolati
Ricostruzione dei 0 usando i “candidati e.m. di L1”
0
Un 0 è identificato da 2 depositi di energia elettromagnetici (2 fotoni)
vicini nel calorimetro
Ricostruire i 0 all’interno di regioni ridotte (20x20 cristalli) dell’ECAL
con rilevanti depositi di energia elettromagnetica (“candidati e.m. di L1”)
M EXP 2 E 1 E 2 (1 cos 12 )
Depositi di energia nella matrice
0
Criteri di selezione
• Energia
• Distanza
• Forma
• ecc..
Eventi simulati di QCD
S/B = 50%
0
fondo combinatorio
+ energetico
- energetico
Francesco Santanastasio
16
Descrizione del metodo di calibrazione
Bisogna calibrate migliaia di cristalli :
N xtal 75000
Il metodo è basato sulla relazione tra la massa vera e quella ricostruita del 0
M 0 M EXP 2 E 1 E 2 (1 cos 12 ) f (C1 , C2 ,.., CN xtal )
Sistema lineare sovradeterminato
#equazioni = #eventi ricostruiti di 0
#incognite = 75000 coeff.di calibrazione Ci
Ci
Diversi metodi per risolvere il sistema :
Invertendo la matrice dei coefficienti
Metodi iterativi
Francesco Santanastasio
17
Stima dei tempi di calibrazione previsti
La precisione statistica con cui sono noti i coefficienti di calibrazione è legata a :
larghezza sperimentale del picco di massa invariante
numero di eventi accumulati in ciascun cristallo
c 2
j
Considerando :
rate del Trigger di L1 =
104
/ m
N
Hz
larghezza del picco = 10%
0.02 0 ricostruiti per evento
assenza di fondo
Limite inferiore :
Calibrazione all’1% dell’intero
barrel in tempi dell’ordine del
giorno di presa dati a bassa
luminosità
Sono necessari :
studio approfondito del fondo
studio delle sistematiche del metodo
Francesco Santanastasio
18
Il test beam combinato ECAL-HCAL
Estate 2006 : test su fascio di prova (SPS) del sistema calorimetrico di CMS
Interesse per la tesi : possibilità di inserire un bersaglio lungo direzione del
fascio per produrre un fascio secondario di 0 mediante la reazione
p M 0 ( 0 ) n
10 al giorno
5
( p 0 n) 8 b
SPS
0
ECAL
0
HCAL
TARGET
Verificare l’algoritmo di ricostruzione e calib. sulla base di dati veri
Studi ulteriori sulla forma dei depositi di energia
Francesco Santanastasio
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Conclusioni
~
0
~
Misura di SUSY nei modelli GMSB : 1 G
Elevate sezioni d’urto
Segnatura sperimentale molto chiara
Scoperta o esclusione nel primo anno di LHC
Calibrazione del calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL)
Importante per le misure di fisica di CMS (SM, SUSY,ecc..)
Importante attività del nostro dipartimento
Tecnica alternativa consiste nel calibrare con
0
Studi preliminari suggeriscono che è possibile una
calibrazione al livello del % in pochi giorni di presa dati ad LHC
Francesco Santanastasio
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