Supersimmetrie e Beyond the Standard Model a CMS e ATLAS

SUSY
and
Beyond the Standard Model
a
CMS e ATLAS
Massimiliano Chiorboli (Università di Catania)
Davide Costanzo (Berkeley National Laboratory)
Necessità di andare oltre lo SM
Ottima descrizione della Fisica dalla scala atomica a 10-18 m
Estensione motivata dallo Hierarchy Problem
Planck scale (1019 GeV) >> EW scale (102 GeV)
Le correzioni radiative portano la massa dell’Higgs alla scala più alta, a
meno che uno spinto fine tuning dei parametri non dia delle
cancellazioni
Possibili soluzioni:
Supersimmetria
Little Higgs
Extra Dimensions
Technicolor, Modelli Higgsless
(non trattati in questo talk)
.......
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUPERSYMMETRY
Supersimmetria (SUSY)
Raddoppia i gradi di libertà
MSSM (~q, ~g, ~l, ~c)
Modelli (mSUGRA, GMSB,
ecc.)
Fenomenologia (mSUGRA):
Alta molteplicità
high-pT leptons
high-pT jets
Missing ET
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUSY: Trigger
Obiettivo : ridurre i 40 MHz bx rate ( ~1 GHz pp) → O(100 Hz)
Preservare la massima efficienza di segnale SUSY in canali jets + ETmiss
Grosso rate QCD: trigger rate su nastro limitato dalla potenza di calcolo HLT
Studio di ottimizzazione (CMS)
Punti a limite della regione di
scoperta di TeVatron
R-conserving e R-violating
Full simulation su segnali SUSY
e fondi SM per valutare
l’efficienza di trigger
Efficienza ottimizzata per un rate
O(10 Hz)
Schemi possibili (low-lum):
1 jet con ET > 180 GeV &
missing ET > 123 GeV
4 jets con ET > 113 GeV
Efficienze:
60-70% R-conserving
25-45% R-violating
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUSY: Scoperta
Various
luminosities
Jets+MET danno la
migliore sensibilità
Tempi limitati non dalla
statistica, ma dalla
comprensione delle
prestazioni dei rivelatori
~1 year
@1034
Calibrazioni della scala di
energia dei jet
Calibrazioni della missing
energy
~1 year
@1033
Occorrono grandi quantità
di dati W,Z,ttbar per una
corretta stima dei fondi
Scoperta possibile fino a
masse di ~q e ~g
dell’ordine di 2.5-3 TeV
con 300 fb-1
M. Chiorboli & D. Costanzo
A0 = 0
tanb = 35
m>0
14/10/2004
~1 month
@1033
Tevatron reach < 0.5 GeV
~ 1 LHC day @ 1033
FAST SIMULATION
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUSY scoperta
Analisi di supporto basate su leptoni
trigger più efficiente
migliore soppressione del fondo
c1 d
 mL m
pp  guL  X
t1t 
c1 b
10 fb-1
m0
 mL m 
6000
c10 m
FULL SIMULATION
5000
0
c

1
m

10 fb-1
4000
3000
2000
1000
0
0
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
500
1000
1500
2000
2500
m1/2
3000
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUSY Misura dei parametri
Scegliere alcuni punti di benchmark nello spazio dei parametri
mSUGRA
Identificare catene di decadimento in modo esclusivo
Se una catena di almeno 3 two-body-decays può essere isolata, le
masse e gli impulsi delle particelle possono essere misurate.
Edge e soglie nelle distribuzioni di massa invariante funzioni delle masse
delle particelle
~
qL

~0
q c2
l
~
l
~0
c1
~
c 20
~
c10
~


l
100 fb-1
SM trascurabile
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
SUSY Misura dei Parametri
ATLAS punto SPS1 (m0=100, m1/2=250, tanb=10, A0=-100, m>0)
ATLFAST (fast simulation)
100 fb-1 Mll
Low Mlq
Mllq
High Mlq
Mllq
Mhq
end-point misurati con errori dell’1÷2%
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
Sparticle Expected precision (100 fb-1)
~
qL
 3%
~
c02
 6%
~
lR
 9%
~
c01
 12%
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Le incertezze sistematiche sulla scala di energia di jet e
leptoni dominano sulle incertezze statistiche
Sfruttare grande statistica di Z→ll, W→jj per le calibrazioni
Lepton scale:
Z→ll (2 ev/s a 1033), constraint sulla massa di Z
LHC goal: 0.1%
Sistematici dominanti:
Z→ee – conoscenza del materiale nella parte interna del detector (goal
1%), modelling del bremsstrahlung (goal 10%)
Z→mm – mapping del campo magnetico, allineamenti
Jet scale:
Z(→ll)+jet, richiedendo pT(jet) = pT(Z)
W→jj, in eventi tt→bWbW, richiedendo mjj=mW
LHC goal: 1%
Sistematici:
Final State Radiation, cono per la ricostruzione del jet
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Full simulation
Simulazione completa (Geant3) del rivelatore (ATLAS)
100K eventi simulati, 5.3fb-1
Massa invariante
(Flavor subtracted)
-1
5.3
fb
Edge atteso a 100.3GeV
(misurato 100.2 ±1.2GeV)
~
qL
~0
q c2
l
~
l
~0
c1
l
Massa Invariante
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Ricostruzione delle S-particelle
M~c 0


1

p ~c 0  1
2
 M
 


p  
 

p

b
~
c 20
~
g

~

~
b
~
c10

b
p
300 fb-1
~
q
~
b
~
g
Ricostruzioni possibili già a 1-10 fb-1
Incertezze statistiche << 1% con 300 fb-1
Incertezze principali: energy scale e M(c10)
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
~
g
300 fb-1
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Little Higgs
Little Higgs
Idea: cancellazione tra stati con
uguale spin
Naturale se inglobata in una
simmetria più ampia
Higgs pseudo-Goldstone di una
simmetria globale
Diversi modelli
Littlest Higgs:
SU(5) → SO(5)
[SU(2)U(1)][SU(2)U(1)]→ SU(2)U(1)
SUSY :
Little Higgs :
bosons
gauge bosons
quarks
M. Chiorboli & D. Costanzo
cancellations
fermions
new gauge bosons
new quarks
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Little Higgs - T Quark Search
Parametri: MT, l1/l2
ATLAS Fast simulation (hep-ph/0402037)
Plot per 300 fb-1
Limite di scoperta 5σ per λ1/λ2 = 1 (2) e 300 fb-1
T→Zt→l+l-lνb
WZ,ZZ,tbZ
T→Wb→lνb
T
tt,t
300 fb-1
MT < 1050 (1400) GeV
M. Chiorboli & D. Costanzo
T
300 fb-1
MT < 2000 (2500) GeV
14/10/2004
T→ht→bblνb
tt
T
300 fb-1
4s for MT = 1000 GeV
3s for MT = 700 GeV
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Little Higgs - Heavy Gauge Bosons
Parametri: M, cot  (per ZH), tan ’ (per AH)
Scoperta:
AH, ZH → ee, mm
WH →e, m
Fino a 5 TeV, tranne per piccoli cot  (WH,ZH)
e per tan ’≈1.3
Dalla s  misura di 
cot  = 1.0
S  5000
B  20
MZ = 2 TeV
100 fb-1
cot  = 0.2
S  100
B8
Canali specifici per LH:
ZH →Zh→llbb
WH→Wh→lbb
WH/ZH → W/Z h→ qqgg
MZ = 2 TeV
300 fb-1
Z+jet
300 fb-1
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Extra Dimensions
Extra Dimensions
Hierarchy problem risolto in modo “geometrico”:
Interazione gravitazionale così debole solo perché “diluita” in n
dimensioni
Non abbiamo mai visto le dimensioni extra perché esistono a scala R
< 1 mm
Verifiche dirette dell’interazione gravitazionale fino a R ~ 1mm
Molti modelli. LHC-friendly:
ADD (Arkani-Hamed – Dimopoulos – Dvali)
TeV-1 sized ED
RS (Randall – Sundrum)
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
ADD
n extra-dimension di size TeV-1<<R0<0.2 mm (n=1 escluso, n=2 quasi
escluso)
Geometria “flat”
Gravità nel bulk, va come R-(2+n) per R < R0 ed è forte a scala MD (~
TeV)
MDn+2 R0d = MPlanck → R0 ~ 1 mm (n=2) or 10 fm (n=6) (Large Extra
Dimensions)
SM particles nel “brane” (3+1 dimensioni)
Eccitazioni Kaluza-Klein del gravitone di bassa energia. Coupling con
le particelle SM debole e universale. Grande numero di stati
(~continuo).
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Large extra dimension: direct
searches
G
Produzione diretta di gravitoni KK
LEP+Tevatron+Hera limits ~
1.4/0.6 TeV (d=2/6)
ATLAS search (L. Vacavant and I.
Hinchliffe, J. Phys. G27 , 1839)
_
q
Events/20 GeV
qq  gG ( k ) , g G ( k ) 

qg  qG ( k )
 jets + ET , g  ET

gg  gG ( k )

q
g(jet),g
14/10/2004
300( k ) fb-1
qq  gG , g G 

qg  qG ( k )
 jets + ET , g  ET

(k )
104 gg  gG

(k )
1
M. Chiorboli & D. Costanzo
jet(s) + MET
g + MET
500
1000
1500
ETmiss(GeV)
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
TeV-1 sized Extra Dimensions
Una ED
bosoni di gauge bosons nel bulk
Fermioni sulla 4D brane ad uno/due punti fissi
nella 5a dimensione (M1/M2 models).
100 fb-1
ATLAS
g(1)/Z(1) → ee,
100 fb-1
KK spectra for Z(k),W(k): mk2 = m02+k2MC2
EW data: MC > 4 TeV
Solo la prima risonanza osservabile
Scoperta con ee, mm, e, m
Misure di precisione con elettroni
DE/E
2 TeV e
2 TeV m
ATLAS
0.7 %
20 %
CMS
0.6 %
6%
M2
SM DY
M1
100 fb-1
Sensitivity to peak (100 fb-1, S/√B>5, S>10):
5.8 TeV
Reach (with interference in tail, el.,100 fb-1):
9.5 TeV
Ultimate (with interference, el.+muons, 300
fb-1):
ATLASe+e-
13.5 TeV
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Altri modelli di Z pesanti
Studio CMS per Z’ generico
Z’→mm, BR(6-8%)
ZSSM, Zy, Zh, Zc, ZLRM, ZALRM
Limiti sulla massa
Attuale: 600-800 GeV
Previsto per LHC start-up: 1 TeV
0.1 fb-1
BKG
only
Sig +
Bkg
FULL SIMULATION
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
RS – Randall Sundrum
2 brane (TeV brane e Plank brane) connesse da una 5a dimensione a
geometria curva
Gravità nel bulk
Gravity scale Lp ~ MPl e-krπ ~ TeV se kr ~ 12, scala dei processi sulla TeVbrane (y = pR)
Curvatura 0.01 < c=k/MPl < 0.1
Eccitazioni KK del gravitone: Mn = kxn e-krπ con J1(xn) = 0, M1 = 0.83 c Lp
Coupling degli stati KK ~ 1/ Lp
y=0
y=Rp
y
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
c = 0.01
c = 0.05
c = 0.1
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
RS - Gravitone
Canali di scoperta: G→ee,mm,gg
Regione di interesse totalmente
coperta con 100 fb-1
Possibilità di misuare i
parametri da M, G e s
Misura dello spin in un’ampia
regione (end-caps needed!)
* angolo tra il fascio e il leptone nel centro di
massa del dileptone
FULL SIMULATION
G→ e+emG= 1.5, 1.75, 2 TeV
c = 0.01
100 fb-1
DY
e+e-, 100 fb-1
mG= 1.5 TeV, c = 0.01
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
RS - Radion
Scalare che rappresenta fluttuazioni
nella metrica della 5° dimensione
Possibilmente più leggero di G(1)
Può mixare con l’Higgs: x
Higgs-like couplings
Parametri: x, mf, mH, Lf
f  hh  γγbb
Working point:
Mf =300 GeV/c2, mH=125 GeV/c2
x  1/3, Lf  1 TeV
Scan in (x, Lf) plane
30 fb-1
f  hh  τ  τ  bb
γγb b
γγbb
ggjj
ggcc
ggbb
FULL SIMULATION
ttbar
Z+j, W+j
Zbb
ggbb: ampia regione nel piano (L,x)
ttbb: conferma
bbbb: accurata conoscenza del
bkg (< 0.1%)
f  hh  bbbb
QCD
ttbar
ttjj
Zbb
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Conclusioni
LHC macchina ideale per vedere nuova fisica
Supersimmetria
scoperta possibile in ampie regioni dello spazio dei parametri
scoperta possibile con bassa luminosità integrata
possibilità di misurare le masse e di ricostruire i picchi in certe regioni
dello spazio dei parametri
più modelli presi in esame
Little Higgs
Scoperta possibile per T, WH, ZH (dopo diversi anni di presa dati)
Possibilità di osservare i decadimenti specifici del modello per WH e ZH
Extra-Dimensions
Diversi modelli presi in esame (ADD, TeV-1, RS)
Possibilità di scoperta fino ad alte scale (masse)
Osservazione diretta di gravitoni, bosoni pesanti, radioni
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Additional slides
Heavy Higgs
Less constrained in mass
qq → φ++φ-- → 4l (too small
cross section)
qq → q’q’φ++ → q’q’W+ W+ →q’q’
ll
Coupling φWW depends on v’
(VEV of Higgs triplet)
From EW data v’ < 15 MeV
For mf = 1000 (1500) GeV
discovery requires v’ > 29(54)
MeV
F and F0 probably even more
difficult
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
hep-ph/0402037
300 fb-1
F
WWqq
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Effetti di saturazione in ECAL
Elettroni molto energetici: saturazione nell’elettronica
di ECAL
Sviluppo di un algoritmo di correzione
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Black Holes
Se √s > MPl (gravity scale) è possibile la produzione di black
holes.
s ~ pRs2 (grande, ma suoppressa dalla parton pdf)
stot = 0.5 nb (Mp = 2 TeV, δ=7)
stot = 120 fb (Mp = 6 TeV, δ=3)
Incertezze per la mancanza di una quantum gravity theory
Decadimenti per Hawking radiation con T ~ 100 GeV (1015 K)
Molteplicità ~ 10, tutte le particelle con m << T prodotte con
uguale probabilità
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Black Holes
MP= 3 TeV
BH detection:
Tag event with at least 4 jets + photon or electron → SM
background small
MBH reconstructed for each event
Higgs Discovery from BH decays:
High production rate of BH + democratic decay of BH: MP ~
2 TeV and n=3 → sBH = 450 pb → 1 light Higgs every 3 s
mH=130GeV
MP= 5 TeV
MP= 7 TeV
W/Z
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
GMSB
~t-NLSP
uso del muon system per misurare il time-of-flight di leptoni pesanti
Massa dello ~t misurabile in range 90-700 GeV per 100 fb-1
~c-NLSP
Sciami elettromagnetici non puntati al
vertice
Per grandi ct: sciami elettromagnetici
nel muon system
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Large ED: indirect searches
Lo scambio virtuale di gravitoni modifica la s di Drell-Yan e le asimmetrie
Divergenza UV, mancata conoscenza della teoria completa – uso di un cut-off MS
KK
ATLAS, 100 fb-1
MS < 5.1 TeV ll
MS < 6.6 TeV gg
ee, mm, gg
q
_
q
dN
dh
ppgg
3000
M(gg) (GeV)
h
V. Kabachenko et al., ATLAS-PHYS-2001-012
Meff = 4 TeV
100
100
1
1000
Meff = 4 TeV
1
2000 3000
M(ll) (GeV) 1000
M. Chiorboli & D. Costanzo
2000
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS
Una variazione di
una fattore 2 del
background
muove le curve di
qualche decina di
GeV
M. Chiorboli & D. Costanzo
14/10/2004
II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS