Fisica ai nuovi acceleratori · 23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 2 tempo

23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 1

Fisica ai nuovi acceleratoriSommario

Ringraziamenti a quanti hanno fornito informazioni e materiale. In particolare: LEP EWWG, LEP HiggsWG, R. Chierici, M. Ciuchini, K Desch, P. Ferrari, C.Mariotti, K. Moenig, F.Parodi, F. Simonetto,……

dopodomani(futuro proposto)

domani (futuro approv.)

oggi

nuova

…+Higgs

standard (e consolidata)

tempo <τf

F isi

ca


tempo <τf

F isi

ca

LCB-factories,TeVatron RunII, BTeV,LHC

LEP/SLD HERA B-factoriesTeVatron RunI…

Oltre il M.S. (SUSY, G.Q., alternative…)

…+Higgs

E.W.-misure di precisione, b(CKM)

Sommario


Quale LC ?quello per cui c’è maggior consenso:

•E iniziale 500 GeV con possibilità di scendere alla Z0

•Luminosità elevata (L > 1034 cm-2 s-1)

•Polarizzazione di entrambi i fasci

•Energia aumentabile fino a circa 1 TeV

•Una o due zone di interazione (con opzione e-e-, eγ, γγ)

TESLA JLC-C JLC-X/NLC CLIC


Sommario tempo <τf

F isi

ca




…+Higgs



EW: Misure di precisione


Oggi: da dove si parte?E.W.:

P(χ2)*=4.4% (25.5/15)mH=91+58

-37 GeV mHiggs< 211 GeV 95% L.d.C.

LEP EWWG

*

7

Oggi → domani

∆mt=2 GeV (Run IIa)∆mt=1-2 GeV (LHC)

con 2 fb-1:

E.W.:

• statistica x 20

• nuovo metodo (usa tutti gli osserv.) x 2.5

• miglior b-tagging

• miglior comprensione dell’energia dei jet

• miglior comprensione ISR/FSR


dopodomaniLC:top

errori teorici: 100-200 MeVerrori

sperimentali: <100 MeV

massa dalla cinematica

produzione in soglia

∆mt (stat)=100 MeV con ∫L=300 fb-1

massa inv. 3 jet

+ fisica del top…

9

dopodomaniLC:misure di precisione

GigaZ*

•alta luminosità: 109 Z0 in 50-100 giorni (L ~ 1033 cm-2 s-1)

•polarizzazione ⇒ con

•risultato indipendente da misura polarizzazione:

W in soglia•con 100 fb-1 e

•polarizzazione: usando diversi stati fondi direttamente dai dati

•con syst=0.25%∆MW=6 MeV (LHC: 15 MeV)

LEP/SLD: 1.7 •10-4

*per approfondire vedi presentazione. M. Paganoni

10

dopodomani

ma arrivare dopodomani a questi livelli di precisione

implica già da oggi lavoro per teorici:

•α(mZ): serve σ (e+e- →qq) all’1% fino alla Y

•mW: correzioni a 2-loop complete + 3-loop dipendenti da mt

•sin2θleff : non ancora compl. 2-loop;

∆sin2θleff ~8•10-5 >>promessa

sperimentaleLC


Z`:

Oggi → domani → dopodomani


accoppiamenti di gauge:

Oggi → domani → dopodomani

300 fb-1

900 fb-1 1500 fb-1

sensibili a modelli con rottura forte della simm e.d.

Pe-=80%, Pe+=60%


b e CKM

scenario considerato:

B- factories Tevatron LHC+BTeV

•2006 2x500 fb-1 Run IIa

•>2007 migliorie min.: Run IIb ~1 anno

entro 2009 2ab-1


Oggi: da dove si parte?b:

Lati:

∆md= ±O(%)

Vcb =±O(%)

Vub=±<15% ∆ms= ?

Angoli : sin2β= ±.06 sin2α= ±.3 ±δp

poco spazio per migliorare l’impatto sul triangolo

}

A. Stocchi…

γ β

α

ricorda:

[ ]2

22

)()1(

dd BB

d

Bfm∆

∝+− ηρ errore da

teoria


Oggi → domani

Vub :b-factories: eventi con l’altro B completamente ricostruito

esclusivi: B → ρ,π lνlimiti: statistica*, σ(reticolo) ∆→7-10%

inclusivi: B → xu lνlimiti: statistica(↓),fondi, spettri ∆→7%

∆→ 5%??

Brecoil

νBrecoD(*)

π Y(4S) l


Oggi → domani∆ms : colliders adronici

CDF Run IIa requisiti sperimentali:

•risoluzione tprop→ canali esclusivi→ Bs→ Ds(3)π →σt=45 fs (SVX+LOO)

•flavor tag →εD2=5.7% (senza TOF) →εD2=11.3% (con TOF)

•S/B → 0.5-2

sensibile fino a ∆ms ∼20 ps-1

con σ( ∆ms)<1%

CDF Run IIb , BTeV, LHC(b): sensibile fino a ∆ms ∼60 ps-1

ma:

%5≈VtsVtd th:

ξ=1.xx±.o5 ?chiral logs?ATLAS

23/04/2003 17

Oggi → domanisin2β da ΨKs :

canale migliore sia sperimentale che teorico

0.020.030.020.020.040.02>t0LHC

0.060.032006

0.06oggi

BTeVLHCbCMS ATLASCDFB fact

σ∼0.01

Errori aspettati


Oggi → domanisin2β da φKs :

0.070.150.12>t0LHC

?0.182006

0.41oggi

BTeVLHCbCMS ATLASCDFB fact

Risposte interessanti a

breve

sin2β (Ψ Ks)= 0.73±0.06 sin2β (φKs )= -0.39±0.41 !?

piccolo contributo da

pinguini

SUSY: può essere diverso!*

* ∆ fase 0.01-0.7

NB: Errori dominati da

statistica


Oggi → domanialtri angoli: analisi complesse per scorporare incertezze teoriche;

es.:αeff (da Bd → ππ)=α+δp

in generale: B fact. sempre competitive escl. canali da Bs; es. (altro triangolo): sin(2δγ) da Bs→ J/ψη(’) (calorimetria)

BTeV 5anni

canali rari:

spettro di possibilità; B-fact/pp favorite a seconda dei casi….

B → µµ, K(*)µµ, K(*)γ, τν, Kνν, inclusivi…

σ sin(2δγ)Run IIa 0.1 LHCb 0.05 BTeV (1anno) 0.025


dopodomani

nonostante la precisione di misura che ci si deve aspettare dal rivelatore al LC, anche nell’ipotesi GigaZ, il LC non è competitivo con quanto aspettato dagli esperimenti appena descritti; es.:

∆ sin2β =0.04

ma sarebbe possibile determinare gli elementi |Vui| e |Vci| (i=d,s,b) dal decadimento del W con precisione comparabile o maggiore sia di quella di oggi che di quella ipotizzabile per allora ( senza imporre l’unitarietà della matrice)


tempo <τf

F isi

ca




…+Higgs


Sommario

Oggi: da dove si parte?Higgs:

LEP: 1-CLb =0.08

CLs+b =0.15

mH>114.4 GeV al 95% CL

LEP: Procedura “standard”: rapporto Q= L(s+b) /L (b)

<2σ!Finale

s+b preferito da 115 in su

Oggi → domaniHiggs: TeVatron vs LHC

chi arriva prima?

•fusione gg dominante ma

•qqH , ttH permettono riduzione fondi

Oggi → domaniHiggs: per entrambi: sommare vari canali

canali**:HW→lνbb 1.7*HZ →ννbb 1.4*HZ →llbb 0.9*

*S/√B per mH=120 con 2 fb-1


domani → dopodomaniHiggs: profilo una volta trovato tutti i parametri da misurare

LHC LC

∆mH/mH=9x10-4 a 120 GeV

Z0H →qqbb

∆mH/mH=3x10-4 a 120 GeV

massa

fissata la massa, nel MS tutti gli altri parametri sono determinati

26

domani → dopodomaniHiggs: profilo misurare gli accoppiamenti con

FermioniBosoni di gauge

MS

Al LC:

ma in MSSM

significa determinare la natura dell’Higgs

capire la natura della rottura della simmetria elettrodebole è UN punto di forza del programma LC


dopodomani

es:

fit globale a tutte le misure LC (σHZ,σHνν,B.R., correlazioni) fornisce

accoppiamenti in modo model independent

Higgs: profilo

µVTX**

Ejet**


dopodomaniHiggs: profilo

interpretazione congiunta LHC-LC utilissima

(LHC/LC group Aprile 2002):• σ(tth)*BR(bb) a LHC e BR(bb) a LC (500 GeV) permettono misura dell’accoppiamento di Yukawa del top• alta precisione nelle misure di un Higgs leggero possono guidare LHC: dipendenza dei BR da MApossono indicare a LHC la regione di massa di interesse (ricorda LEP→top)

es: ∆(BR(cc)/BR(bb))∼8.2%⇒MA>600 GeV @ 95%CL


domani → dopodomaniHiggs: altri stati MSSM

buco

solo h0

entra in gioco precisione LC

2HDM : 5 stati h0,H0,A,H±

scoperta a 5 σ


tempo <τf

F isi

ca




…+Higgs


Sommario


oltre il M.S.Teoria⇒elevato numero di modelli con implicazioni fenomenologiche e svariati scenari sperimentali es.:

SUSY quale rottura?

Gravity Mediated →mSUGRA…..

Gauge Mediated(GMSB) → quale NLSP

Anomaly Mediated(AMSB)

Rp conservata?

Higgs non M.S. (2HDM+fermiofobico,H±±)

Gravità quantistica (↑)

e poi: accoppiamenti anom.FCNCaltri bosoni Z′QED non commutativa interazioni di contattoTechnicolor

Da sequenza di no deviation from SM expectationsal prezzo di non presentare l’enorme quantità di lavoro

Oggi: da dove si parte?


SUSY

23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 33NB: L’Energia più alta dà il massimo potenziale di scoperta per molte ricerche

Oggi → domani

•da HERA Tevatron LEP/SLD…. limiti alle varie teorie difficoltà per alcune ( es. technicolor)

•Tevatron RunII ragionevoli possibilità di scoperta es:

• LHC in grado di scoprire SUSY se alla scala elettrodebole molti canali aperti in particolare per squarks e gluini

ma anche gaugini e sleptoni:0

10

1~~~~ χχ−+−+ →→ llpp LL ll

01

01

021

~~~~ χχυχχ −+±± → lll

In ogni caso energia mancante ingrediente fondamentale

SUSY:

T. Kawamoto LEP Jamboree 22/7/2002


domaniSUSY:

LHC: 5 σ per gq ~,~∫Ldt=100 fb-1

A0=0 tanβ=35 µ>0

selezione:

•jet con alto ET (>40 GeV)

•grande ETmiss (>200 GeV)

•alto numero di b

•leptoni isolati (0-3)

CMS raggiunge ~ 2.5 TeV per squark/gluino


domaniSUSY:

ricerca sleptoni LHC: 5 σ per gaugini

selezione:

•grande ETmiss (>50-100 GeV)

•>2 leptoni stesso sapore

3 leptoni + ETmiss ( no jets)

dopodomaniSUSY: se (Tev.) LHC scopre Supersimmetria

LC macchina per:•controllo indipendente

• misure precise di masse, accoppiamenti, num. quantici,angoli di mixing, CP….

grazie a:

• ambiente pulito

•energia regolabile

•polarizzazione (P-~80%P+~60%)

•opzioni e-e-, eγ, γγ

δm ~0.3% δm<0.1 δΓ ~0.1 GeV


dopodomaniSUSY: se (Tev.) LHC scopre Supersimmetria

LC macchina per:• input sperimentali alle analisi di LHC

ATLAS TDRmisure precise al LC di masse LSP migliora la

risoluzione in massa di stati più pesanti a LHC

da fit combinato spettro di massa (LC)- sezioni d’urto (LHC) si estraggono parametri SUSY con errori correlati→estrapolazione alla scala GUT

mSUGRA GMSB


Gravità Quantistica

La scala di Planck potrebbe essere dell’ordine del TeV e la gravità forte a tale scala se vi fossero dimensioni spaziali extra lungo le quali la gravità può propagarsi (tramite gravitoni di Kaluza-Klein GKK) mentre il resto del nostro mondo SM rimarrebbe confinato nelle usuali 3+1 dimensioni.

G’N = 1 / MS2 con MS ~ 1 TeV

MPl = MDn+2 Rn

MD : massa di Planck in [4+n]dim.,MS : scala di massa, MS ~ λMD con |λ|∼ 1MPl : massa di Planck nelle usuali 4 dim.R : raggio di compattificazione delle dim. extra

NB! σ crescono con E

Oggi → domaniGravità Quantistica(e dimensioni extra):

• emissione GKK reale, stato finale γ-jet*, ET

se MS ∼TeV la G.Q. può esser vista a Tevatron/LHC:

• virtuale, stato finale 2 γ, 2 l

γ

g,q

g,q

LHC con ll e γγ MSmax=6-8 TeV

MS = 2 - 3 TeV (Runs IIa , IIb)

n=4 MS > 0.55 TeV

n=6 MS > 0.58 TeV

n=8 MS > 0.60 TeVe

e

LEP:MS > 1.20 TeV (λ =+1), > 1.09 TeV (λ =-1)

* vedi GMSB, G1/2 superleggero

23/04/2003 40

dopodomaniGravità Quantistica(e dimensioni extra): Al LC a √s= 800 GeV simile

potenziale di scoperta:• GKK virtuale, stato finale 2 µ, 2 b

MSmax<8

TeV

• polarizzazione trasversa del fascio: asimmetria in azimuth dipendente da cosθ asimmetrica solo per scambio tensore (es gravitone)

SM

Possibilità di distinguere GKK da Z`fino a MS<10 TeV

sensibile a MS<10 (22) TeV per √s= 500 (1000) GeV

Futuro proposto: considerazioni riassuntive*

se al Tevatron/ LHC:1. Trovato un Higgs leggero (<140 GeV) e SUSY:

a LHC, LC(500 GeV), LC(800 GeV, 1 TeV)

• misura proprietà Higgs ( m,Γ,BR,numeri quantici…)

• trova e misura tutte le sparticelle accessibili

• determina i parametri di SUSY con estrap. alla fisica alle scale più alte

2. Trovato un Higgs ma non SUSY:

a LHC, LC(500 GeV)

• misura le proprietà dell’ Higgs con la massima precisione: cerca effetti oltre il MS direttamente dal settore dell’Higgs

a bassa energia (GigaZ)

• misure di alta precisione alla Z0 e WW per ulteriori indicazioni di nuova fisica

a LHC, LC(800 GeV, 1 TeV)

•studia accoppiamenti ttH, WW scattering, nuove evidenze…. * vedi F. Piccinini


Futuro proposto: considerazioni riassuntive

se al Tevatron/ LHC:3. Trovato nulla:

a LC(500 GeV)

• tappa eventuali buchi per l’Higgs a LHC

• studia accoppiamenti WWV

• studia accoppiamenti top

a bassa energia (GigaZ)

• misure di alta precisione alla Z0 e WW per capire dove il MS non funziona

a LC(800 GeV, 1 TeV)

• misura di precisione ff (Z’, temini di contatto)4. Trovato Higgs, SUSY e altro:

a tutte le macchine, tutte le energie…..

• lungo programma di lavoro


Futuro proposto: considerazioni riassuntive

• in nessuno degli scenari precedenti un Linear Collider si rivelerebbe inutile

• requisiti indispensabili quali intervallo in Energia, alta luminosità, polarizzazione dei fasci, qualità del rivelatore godono ormai di largo consenso

• il funzionamento in sovrapposizione con LHC potrebbe risultare di fondamentale importanza per entrambi

• tuttavia la strada da percorrere è lunga e non semplice


Conclusioni

Menù per domani:

Massa del top con precisione di 2 GeV

Oscillazioni del B0s all’errore della teoria

Vub al 5%

sin2β con possibili novità

altri angoli di Bellezza e rarità

a seconda dei favori della stagione

Higgs in tutte le salse


Banchetto di dopodomani:

Sorprese a non finire

e/o

lavori di fino per tutti

da tenerci impegnati per tutta la vita

cerchiamo i soldi per pagare il conto

B. Foster ECFA

La lunga via per un LC

lastricata di comitati

International. Comm. ForFuture Accelerators

ICFA

European Comm.for Future Acceler.

Asian Comm.for Fut. Acc.

US HEPAdv. Panel

Techn. Rev.Committee

International LCSteer. Comm.

ILCSC

European LCSteering Comm.

Asian LCSteering Comm.

US LC Steering Comm.

AcceleratorSub panel

Sub Group on Organ.& Manag.

Physics&Detectors

Outreach

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