Ricerca di nuova fisica in CMS

Ricerca di nuova fisica in
CMS
Mario Galanti
Università e INFN - Catania
Sommario
 Problematiche generali
 Trigger e strumenti
 Strategie di ricerca
• mSUGRA
• Modelli alternativi
 Non parlerò di
• Ricerche esclusive (v. talk precedente)
• Extra dimensions & Co. (v. talk successivi)
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2
Problematiche generali
Fisica oltre il Modello Standard
 Problema principale delle ricerche di nuova
fisica:
• Esistono molti modelli (sia supersimmetrici sia non)
consistenti con i dati in nostro possesso
 Esperimenti in acceleratori a “bassa” energia (LEP, Tevatron)
 Vincoli cosmologici (WMAP, dark matter, ...)
• Ciascun modello presenta parametri liberi
 Per il MSSM Npars ≈ 100
• Ciascun modello (mSUGRA, GMSB, little Higgs, ecc.)
prevede spettri di massa con caratteristiche molto
diverse
 Nel seguito parlerò soprattutto di mSUGRA
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Ricerche di nuova fisica
 Ricerche inclusive:
• Cercare un eccesso nel numero di eventi
osservati rispetto al fondo SM previsto
 Ricerche esclusive:
• Studiare dettagliatamente i singoli processi
fisici e ricostruire le nuove particelle
 Ricostruzione delle catene di decadimento
 Misure dello spettro delle masse (v. il talk di
Tommaso)
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Ricerche inclusive
 Strategia generale
• Riuscire ad osservare eccessi di eventi rispetto alle
previsioni dello SM
 In fase di preparazione dell’esperimento:
• Coprire tutte le possibili
• Analizzare i vari modelli disponibili
topologie di evento
• Trovare le segnature migliori
• Successivamente,
• Fare uno “scan” dello spazio dei
parametri
e
cercare
di distinguere
trovare la significatività di S/B in ogni punto.
tra i vari modelli
 In fase di analisi dei dati:
• Earlytra
discovery:
• Cercare differenze significative
Nev previsti e
rivelatore
non calibrato
effettivamente osservati, per
le varie segnature
e/o incompleto (v. dopo)
studiate
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SUSY al LHC
 Squark e gluini hanno alta σprod al LHC, poiché queste
particelle sono dotate di interazione forte
• Catene di decadimento lunghe
Segnature caratteristiche
 Jet ad alto PT
 Leptoni ad alto PT
 Se la parità R è conservata:
• alta ETMiss
 Se c’è violazione della parità R,
possibile il decadimento ~
χ10jjj
• Minore ETMiss, alta molteplicità dei jet
 Necessario predisporre diverse strategie per i vari
scenari possibili
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Tools e trigger
Il trigger di CMS
 Riduzione del rate di eventi da
O(100 MHz) a O(100 Hz)
 Vari livelli di trigger
• L1 implementato in hardware
(100 MHz  100 KHz)
 Prende informazioni dai calorimetri e dalle
camere per muoni
 Fornisce candidati per e, μ, τ e γ, jet, numero di
jet, ET
• HLT implementati in software
(100 KHz 100 Hz)
 Informazioni da tutto il rivelatore
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Trigger per SUSY:
punti di benchmark
 6 punti di benchmark scelti per testare il trigger di CMS
• Rappresentano diversi scenari difficili per il trigger
 Solo dei “case studies”, non test esaustivi per valori
qualsiasi dei parametri
Punto
m0
(GeV)
m1/2
(GeV)
σ (pb)
4
20
190
181
5
150
180
213
6
300
150
500
7
250
1050
0.017
8
900
930
0.022
9
1500
700
0.059
A0 = 0, tanβ = 10, μ > 0
Low Mass (LM):
- Bassa ETMiss
- Particelle a basso PT
High Mass (HM):
- Sparticelle con alta massa
- σprod molto basse
 4, 5 e 6 esclusi dal LEP, ma utili lo stesso per testare le
prestazioni del trigger
 Gli stessi punti studiati anche per il caso di parità R
~ 0jjj
violata, con χ
1
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Strategie di trigger
Trigger studiati
 Punti LM:
•Caso low-lum (se SUSY è qui, scoperta
subito)
•Trigger L1:
3 jet (ET > 86 GeV)
1 jet (> 79 GeV) +ETMiss > 46 GeV
•HLT:
1 jet (> 180 GeV) +ETMiss > 123 GeV
4 jet (ET > 113 GeV)
 Per i punti HM:
•Caso high-lum (punti a bassa σ, serve alta
∫L)
•Trigger L1:
3 jet (ET > 111 GeV)
1 jet (> 113 GeV) +ETMiss > 70 GeV
•HLT:
ETMiss > 239 GeV
4 jet (ET > 185 GeV)
 La violazione della parità R comporta un
maggiore Njet e minore ETMiss
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Prestazioni del trigger
 Risultati a bassa luminosità
4 jet, ET > ETMin
Efficienze cumulative (%)
1 jet + ETMiss > ETMin
Punto
4
5
6
4R
5R
6R
L1
92
92
85
94
93
87
HLT
69
68
44
46
41
26
 Risultati ad alta luminosità
Efficienze cumulative (%)

Punto
7
8
9
7R
8R
9R
L1
90
98
94
100
100
100
HLT
85
92
76
90
88
64
Mario Galanti

Se la parità R è conservata, i
trigger con ETMiss hanno
efficienza abbastanza alta
Degradazione per il caso di
violazione della parità R
•
I trigger di n jet compensano,
soprattutto per i punti HM
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Strumenti software
 Cambio di tutti i tool software
(FortranC++)
• OSCAR (simulazione)
• ORCA (ricostruzione)
• FAMOS (simulazione+ricostruzione veloci)
 Molta enfasi attualmente sullo sviluppo e sulla
validazione di questi nuovi strumenti
• Sviluppare e raffinare gli algoritmi di ricostruzione
• (Relativamente) pochi canali di fisica studiati
 Servono anche come banchi di prova per questi strumenti
 Successivamente:
• Rifare le analisi eseguite con i vecchi tool
• Studiare i canali attualmente scoperti
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mSUGRA
mSUGRA
 Riduzione del numero dei parametri rispetto a MSSM
• Unificazione dei parametri alla scala GUT (~MPlanck)
 Parità R PR=(-1)3(B-L)+2s
• LSP stabile (neutralino)
 Parametri liberi:
• m1/2, m0, tanβ, sign(μ) e A0
• Risultati dati in funzione di (m1/2, m0), per valori fissati degli
altri tre parametri
• Le RGE traducono i valori delle masse dalla scala GUT a quella
EW
 Relazioni (approssimate) tra le masse:
~ ±) ≈M(χ
~ 0)
~ 0) ≈2M(χ
~
• M(g)≈3M(χ
1
2
1
~
~
~
• M(g)≈M(q) >M(χ)
 Resta una grossa indeterminazione nello spettro delle
masse
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Punti di benchmark di mSUGRA
Point
m 0
(GeV)
m 1/2
(GeV)
tan(β)
• LM1, LM2 e LM6 strettamente compatibili con le ultime
sign(μ)
A 0 sulla materia oscura (WMAP)
misure
LM1
60
250
10
+
LM2
175
350
35
+
LM3
330
240
20
LM4
210
285
10
LM5
230
360
10
LM6
85
400
10
LM7
3000
230
10
LM8
500
300
10
LM9
1450
175
50
0.
~ ~
~
~ tranne che per b
•
M(g)
<
M(q)
ot
+
0.
~
~
•-300
Dominante il decadimento ~
g  b+b (t+t)
+
~0. < M(q)
~
+ • M(g)
HM1
180
850
10
+
HM2
350
800
35
HM3
700
800
10
HM4
1350
600
10
•0.Uguali a B’, I’ e C’ (M. Battaglia et al., hep-ph/0306219)
•0.Gli altri LM compatibili abbandonando la condizione di
+
0.universalità del parametro di massa dell’Higgs
+
~
~0. > M(q)
• M(g)
+
0.
~
• Dominante il decadimento ~
gq+q
+
•0.~
q pesanti, anche oltre (LM7) la zona visibile
+
0.
~ e il decadimento in 3 corpi del ~
~
• Importanti qq+g
g
+
0.
~
• Varie topologie possibili per i decadimenti dei χ
+
0.
~
~ 0ℓ+ℓ,
~ 0ℓ+ℓ+ χ~ 0, χ~ 0Z0+ χ~ 0, χ~ 0h0+ χ~ 0, etc…
• χ
χ
2
2
1
2
1
2
~ + ℓ+ν+ χ
~ 0, χ
~ + W++χ
~ 0, etc…
~ + ~
• χ
ℓ+ν, χ
1
1
1
1
1
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1
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Ricerche inclusive
 Tagli di preselezione:
(Abdullin-Charles, 1999)
• ETMiss > 200 GeV
• ≥ 2 jets con PT > 40 GeV
 Fondi considerati: tt, Zj, Wj, QCD(incl. bb)
 Scan del piano (m0, m1/2) con tagli aggiuntivi
 •Eventi
classificati
base
aN
Distribuzioni
dei leptoniin
simili
tra sig
e lep
bkg:
Miss ed E jet
• • Utili
tagli2ℓSS,
su Njets3ℓ,
, ETecc.
0ℓ, ulteriori
1ℓ, 2ℓOS,
T
Punti di mSUGRA
Segnatura
m0
(GeV)
m1/2
(GeV)
Valori dei tagli
Njet
ETMiss
(GeV)
ETjet1
(GeV)
ETjet2
(GeV)
∆φ(PTlep,ETMiss
)
μ isol.
s/√(S+B)
500
1200
2
1200
900
600
0
Off
5.77
1600
1000
7
600
600
300
0
Off
4.2
400
1100
2
900
600
300
20
On
4.66
1000
1000
4
800
500
300
20
Off
4.68
400
700
2
300
150
80
0
On
6.37
Mario Galanti 1400
700
2
IFAE
– Catania 200
300 2005 300
0
off
4.7217
ETMiss
1ℓ
3ℓ
Risultati
 Limiti di scoperta di CMS
• S/√(S+B) > 5 σ
∫L ∫L
= 100
= 100
(300)
fb-1fb-1
AA00==0,
0,tan(β)
tan(β)==35,
2, μμ><00
 ETMiss + 2 jet inclusiva:
• Segnatura migliore
• Importante soprattutto al
limite per alta ∫L
 Segnature n(≥1) ℓ:
• Limiti di scoperta più stretti
• Possono comunque essere utili
per basse ∫L
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18
Esempio di analisi: 2μSS
Canale favorevole:
(Drozdetski, 2004)
• Alta efficienza di trigger per i μ
• Segnale molto pulito e facile da individuare (anche con un rivelatore
non calibrato)
• Contaminazione da parte del fondo minore rispetto a ETMiss + N jets
 Tagli di preselezione:
6000
m
0
• 2 μ SS con PT > 10 GeV
Punti scelti per l’analisi
18
5000
4,6,8,10,11,19,20
 Muoni ricostruiti da
informazioni di tracciatore
e rivelatore per muoni
16
3000
7
 Jet con algoritmo
IterativeCone (R=0.5)
2000
15
9
14
13
2
 ETMiss con correzioni di ETjet
1000
12
1 3
0
0
Mario Galanti
17
4000
500
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5
1000
1500
2000
2500
m3000
1/2
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2μSS: processi di fondo
Fondi SM principali
tb
pb
N1
N2
0.212*
2,120
112
tqb
tb
tqb
5.17*
51,700
1,798
0.129*
1,290
71
3.03*
30,300
1,067
ZZ
18(NLO)
180,000
256
ZW WW tt
26.2
262,000
727
70.2
702,000
39.7
Zbb
886(NLO) 232(NLO)*
8,860,000 2,320,000
142,691
12,924
All
160,000
Altri fondi considerati
WWW ZWW
pb
N1
N2
pb
N1
N2
ZZW
ZZZ WWWW ZWWW ZZWW ZZZW
0.129
1,290
<15
0.0979
979
<10
0.0305
305
<3
0.00994
99.4
<1
ttW
ttZ
ttWW
ttZW ttZZ
0.556
5,560
<200
0.65
6,500
<200
neg.
neg.
0.000574
0.000706
0.000442
0.000572
ZZZZ
0.0000161
- contributo trascurabile
neg.
 N1: Numero totale di eventi attesi per ∫L=10 fb-1
 N2: Numero di eventi che passano i tagli di preselezione
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20
2μSS: tagli applicati
 Considerate le distribuzioni di:
• ETMiss
• ET dei jet
• PT dei μ
Scelte le variabili su cui fare i cut, si sono
studiati diversi valori per l’ottimizzazione:
•Tagli
ETMiss: scelti
0, 100, 150, 200, 250, 400, 500 GeV
•(Oltre
ET jet1:a P0, di
70,entrambi
100, 200, 300,
GeV
i μ > 400
10 GeV):
T
• ET jet3: 0, 30, 50, 80, 100, 170, 250 GeV
• PT Set
μ1: #1:10, 20, 30, 60, 100, 150 GeV/c
Esempio
• PT μ2•: ETMiss10,
15, GeV
20, 50, 80 GeV/c
> 200
mSUGRA point•3:
Min IP
N/A,
0.005,
• EμT: jet
GeV 0.0015, 0.0005 cm
3 > 170
PTμ:μ1N/A,
> 20 GeV
• Max •IP
0.1, 0.03, 0.01, 0.005 cm
•m0=149 GeV
Set #2:
•m1/2=700 GeV
•Tan(β) = 10
•A0 = 0
•sign(μ) > 0
Mario Galanti
• ETMiss > 100 GeV
• ET jet1 > 300 GeV
5
>10 • insiemi
di tagli
ET jet3 > 100
GeV
•Scan dello spazio dei tagli per determinare i set
che danno i valori migliori di S/√(S+B), S/B e Nev
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2μSS: risultati
In nero i punti per m
cui la significatività
è > 5σ per ∫L=10 fb-1
6000
0
5000
18
4,6,8,10,11,19,20
17
4000
 Molti punti saranno
visibili già con
∫L<<10 fb-1
• Significatività per
molti punti >> 5
16
3000
7
2000
2
12
1000
0
14
13
1 3
0
15
9
500
5
1000
1500
2000
m1/2
3000
2500
 Studiata la stabilità dei risultati:
• +30% eventi SM e –30% eventi SUSY contemporaneamente
• Solo uno dei punti di scoperta (#13) va fuori dalla zona
visibile
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Modelli alternativi
SUSY soft breaking non universale
 Relazioni (approssimate) in mSUGRA tra le masse delle
sparticelle alla scala EW:
• Legate all’ipotesi di universalità dei termini di rottura soft della
supersimmetria alla scala GUT
 Modelli alternativi abbandonano l’ipotesi di universalità:
• Maggiore libertà nello spettro delle masse
 Possibile inversione della gerarchia delle masse
 Particelle SM leggere  partner pesanti
• Spiegherebbero meglio il disaccoppiamento degli effetti
supersimmetrici dalla scala EW
 Scalari di 1a e 2a generazione pesanti (~5-20 TeV)
 Scalari di 3a generazione leggeri (<1 TeV) per conservare la
naturalezza
 Scenari particolarmente difficili dal punto di vista
sperimentale: solo poche sparticelle entro il reach di LHC
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24
Caratteristiche sperimentali
 Studiata una
segnatura “classica”:
(n  4) jets  ETMiss or (n  4) jets  ETMiss  no lepton
• (n ≥ 2,3,4) jets
• (m ≥ 0) leptoni
Risultati:
Miss
• Edi
 Limiti
T scoperta dipendenti dalla
~ 0) e min[M(g),
~
~ M(q)]
relazione tra M(χ
1
• Scoperta più difficile al crescere di
MLSP (i jet prodotti hanno minore
energia)
• Cancellazione parziale dell’ ETMiss delle
due LSP
 Limiti (asintotici) di scoperta per
~ 0) ≈ min[M(g),
~ M(q)]:
~
M(χ
1
~ M(q)]
~ ≤ (1.2 ÷ 1.5) TeV
• min[M(g),
~ )>>M(q
~ ))
~ ) ≤ 800 GeV (se è M(q
• M(q
3
1,2
3
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tan(  )  5
  1800
m(squarks )  3800 GeV
Colour regions correspond to
the case m( 02 )  2800 GeV
Curves correspond to
the case m( 02 )  2  m( 10 )
25
m( ~
χ 01), GeV
Gauge Mediated Symmetry Breaking
 MSSM non definisce l’origine dei parametri di rottura
della SUSY
• Settore nascosto che non “sente” le interazioni SM e in cui la
SUSY è rotta spontaneamente
 Gli effetti sono trasportati al settore visibile con una
interazione indipendente dal sapore
• GravitàmSUGRA
• Settore messaggeroGMSB
 La rottura è trasmessa al settore messaggero da una nuova
interazione, e da questo al settore visibile dalle interazioni di gauge
 Caratteristiche fenomenologiche:
~
• La LSP è il gravitino G
• Modelli classificati in base alla NLSP:
 Stau ~
τ1
~
 Neutralino N1
• Decadimento NLSPLSP
 Grossa libertà nei valori di cτ
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26
GMSB: aspetti sperimentali
~
N1 è la NLSP
~
τ1 è la NLSP
cτ>>L
cτ~L
cτ<<L
Segnatura simile a un μ pesante
Fenomenologia simile a mSUGRA
La NLSP decade dentro il rivelatore, possibili misure di vita media
Decadimento in 2τ
Decadimento in 2γ
L=dimensioni del rivelatore
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27
Little Higgs
I campi di Higgs sono bosoni di Goldstone associati ad una rottura di
simmetria globale ad una scala Λ~10-30 TeV
•Acquistano massa mediante una SSB alla scala elettrodebole
Cancellazioni al primo ordine tra particelle della stessa statistica e la
simmetria globale approssimata mantengono leggeri i campi di Higgs
•Un nuovo quark simile al top di carica 2/3: T
•Nuovi bosoni di gauge pesanti: WH±, ZH, AH
•Nuove particelle di Higgs che formano un tripletto SU(2): 0, +, ++
Caratteristiche fenomenologiche:
•Vincoli sulle masse:
MT < 2 TeV/c2
MW < 6 TeV/c2
M < 10 TeV/c2
“Littlest Higgs”
•Meccanismi di produzione del
_ T:
_
Produzione associata: ggTT e qq TT
Produzione singola: qb q’ T
• Model-dependent
Canali più favorevoli: th e tZ (25% l’uno)
TbW (50%) sommerso dal fondo SM
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28
Strategie di ricerca
Canale
T ht, h bb
•Decadimento leptonico del W dal top
•σ=8.9 fb
T Zt, Z ℓ+ ℓ•Decadimento leptonico della Z
•σ=0.92 fb
Topologia del segnale
3 b-jet
1 ℓ isolato (ℓ=e, μ)
ETMiss
1 jet leggero
1 b-jet
3 ℓ isolati (ℓ=e, μ)
ETMiss
1 jet leggero
Fondi importanti
pp tt, t bW, decadimenti semileptonici dei
W (σ=886 pb)
pp Wbbjj (σ=3.95 pb)
pp W+4 jets (σ=146 pb)
WZ+jets, con decadimenti leptonici di W e Z, e
uno dei jet mistagged come b-jet
Risultati preliminari
Basso rapporto S/B
Canale più promettente: scoperta possibile per
alta ∫L
Con 3 b-jet si deteriora troppo l’efficienza
Fondo quasi del tutto soppresso dalla richiesta
Si studiano strategie di selezione meno
di 1 b-jet
restrittive
del2005 – Catania
Mario
Galanti (2 b-jet, decadimento adronico
IFAE
29
W)
Conclusioni
 Mostrate alcune delle analisi compiute (o in corso) in CMS
riguardanti la ricerca di fisica oltre il Modello Standard
 Performance del trigger ottimizzate per far fronte a vari
scenari (SUSY con sparticelle a bassa o alta massa,
conservazione o meno della parità R)
 mSUGRA:
• Scan del piano (m0, m1/2) per determinare i limiti di scoperta di
CMS; rivelatore sensibile a sparticelle con massa fino all’ordine di
2÷3 TeV
• Alcune analisi più dettagliate per canali specifici (2μSS)
 Modelli alternativi
• Modelli non universali: studi inclusivi mostrano che CMS sarà
sensibile a sparticelle con masse almeno fino al TeV
• GMSB: Studiate alcune segnature particolari; buona sensibilità
per NLSP con alta vita media
• Little Higgs: analisi ancora all’inizio, si cercano le segnature e le
tecniche di analisi migliori
Mario Galanti
IFAE 2005 – Catania
30