Ricerca di particelle supersimmetriche con lapparato CMS al Large Hadron Collider Massimiliano...

Ricerca di particelle supersimmetriche con l’apparato CMS al Large Hadron Collider

Massimiliano Chiorboli

Massimiliano Chiorboli Seminario di sezione

Sommario

Necessità di andare oltre il Modello Standard

Supersimmetria: introduzione teorica

Ricerche passate

Supersimmetria e cosmologia

Supersimmetria e g-2 del muone

Ricerche future: il Large Hadron Collider e CMS


Modello Standard

• Simmetria SU(3)C SU(2)L U(1)Y, rotta spontaneamente

• Z e W massivi

• 3 famiglie di quark e leptoni (neutrini solo left-handed)

• solo interazioni rinormalizzabili (gauge + yukawa)

• bosone di Higgs

Ma non e’ una Teoria del Tutto !


Problema gerarchico

22

OmH

SM HH m m GeV 100

HHP mmc

M 1519

newton

10~ GeV 1022,1G

~

GUT

Regolazione fine:

GeV 10 GeV 100~ 15

bareH

HbareH

obsH

m

mmm

Innaturale

Teoria efficace: caso di bassa energia di una teoria più estesa


Soluzioni…

Si raddoppia il numero di gradi di libertà:

FERMIONI BOSONI

)(

)()(

22

22222

fB

fBH

mmO

mmOm

22HH mm TeV 1 fB mm

Nel caso dei fermioni la simmetria chirale “protegge” le particelle dalla divergenza: f

ff mmm

ln O~


Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM)

H~

,~ ,Z~

,W~ si mescolano, e nello spettro fisico 4,1 ,χ~ 2,1 ,χ~ 0 ji ji

Fermioni:Fermioni: quark, leptoni s = ½

Bosoni di Gauge:Bosoni di Gauge: W±, Z0, ,gluoni s = 1

HiggsHiggs s = 0

Sfermioni:Sfermioni: squark, sleptoni s = 0

Gaugini:Gaugini: Wino, Zino, fotino, gluino s = 1/2

Higgsini s = 1/2

SLBR 23)1(

R = +1 R = -1


Lightest Supersymmetric Particle (LSP)

Se R si conserva:

• sparticelle in coppia

• sparticella sparticella + particelle

• LSP stabile

La LSP deve interagire

solo debolmente

Se la LSP avesse carica elettromagnetica o forte, condenserebbe in materia ordinaria, e si mostrerebbe sotto forma di isotopi anomali.

241321

~~~~ HaHaZaa Neutralino:


Topologie a R conservata

• leptoni ad alto pT

• jet ad alto pT

• energia trasversa mancante


Supergravita’

mSUGRA minimal SUper GRAvity

Il MSSM dipende da 124 parametri liberi

Teoria globale Teoria locale

m0

m1/2

A0

sign

tan


Ricerca di particelle supersimmetriche

Diversi esperimenti hanno effettuato ricerche di particelle supersimmetriche: LEP, CDF, D0, HERA...

Canale di ricerca

topologia selezione degli eventi

leptoni pT > pTcut

jet pT > pTcut

Etmiss > (Et

miss)cut

eccesso rispetto allo SM

)~~ , q~q~ , l~

l~ , g~g~(

Limiti inferiori sulle masseNessuna evidenza


Limiti sulle masse

L3: selettrone

CDF: sbottom

ALEPH: chargino


Limiti sui parametri

Teoria

LEP1

Chargini

Sleptoni

Higgs


Nonostante non si sia vista alcuna evidenza...


Motivazioni teoriche

Unificazione delle coupling constant...


Motivazioni Teoriche (II)

…rottura della simmetria EW

0 , )V(422

SM Introduciamo un campo scalare :

MSSM Abbiamo dei campi scalari (squark, sleptoni, higgses…), che hanno massa m0 a 1016 GeV. Runnando le masse fino a scala elettrodebole:

)(2

5

66316

2~

2~

22

21

21

22

22

22

RL ttHtt

tH

mmmX

MgMgXmd

d

0


Cosmologia: materia oscura

GalassieSistema Solare

Se si ha una LSP stabile, questa potrebbe rappresentare la soluzione al problema della materia oscura

c

NG

H

8

3 20

c

per la materia visibile: 012.0004.0 vis

dalle misure sulle fluttuazioni del fondo a microonde 2.08.0

dalla Big-Bang Nucleosynthesis 08.001.0 b


Cosmologia: materia oscura

Si cerca di osservare gli scattering dei neutralini con i nuclei di un rivelatore

Il segnale è un effetto di modulazione annua del rate dovuto al moto relativo della Terra rispetto all’alone di WIMPs

)(cos )()(),( 00 ttESEStES RmRR days 365

2


Evidenze di SUSY da misure di g-2 del

2

2

ga

0a



6.2

Esperimento E821 al Brookhaven National Laboratory



Spiegazione di questa discrepanza:

fluttuazione statistica

probabilità 0.9%

struttura del :

non osservata in processi con più energetici (HERA, LEP);

extra dimensions

(effetti troppo piccoli)

correzioni adroniche poco accurate

supersimmetria


Ricerche future: LHC


CMS


Ricerca di sparticelle a CMS

Simulazioni per studiare le capacità del rivelatore a “vedere” fenomeni supersimmetrici

Regioni dello spazio dei parametri in cui si apprezza l’eccesso rispetto allo SM (scoperta della supersimmetria);

Misurato l’eccesso, ricostruire i picchi di massa delle superparticelle (ricostruzione dello spettro)


Scoperta della supersimmetria

Canale (es. squark-gluino)

Conteggio 5B

S

Selezione degli eventi


Contorni 5

0 2n ta0A ,g~g~ 0


Previsioni…


Ricostruzione dello spettro

CMS è in grado di scoprire le supersimmetrie entro un ampio range di parametri.

Ma è in grado di ricostruire lo spettro?

Sparticelle: massa, carica, accoppiamenti…

Eccesso rispetto allo SM

Fissare un punto dello spazio dei parametri

Ricavare informazioni sullo spettro

Ricostruire le superparticelle


Ricostruzione di sparticelle


g 643.3 tL 412.5

bL 522.5 tR 600.5

bR 549.7 40 379.1

qL 570 30 358.8

qR 549 20 186.8

lL 211.4 2± 379.7

lR 145.8 1± 186.0

10 = LSP 99.6

Proposed Post-LEP Benchmarks for Supersymmetry (hep-ph/0106204)


Catena di decadimento

pb 41.41TOTSUSY

bb~

g~ pp

b~02

01~

(26 %)

(35 %)

(0.2 %)

01

~ ~

(60 %)

p

p

g~

b~

b

b

01

~

02

~ ~

Stato finale dell’evento:

• 2 leptoni isolati OS ad alto pT

• 2 b-jet ad alto pT

• missing Et

Fondi SM:

tt, Z+jet, W+jet, ZZ, WW, ZW

10 fb-1 6 mesi di run


b-tagging

Elettroni calorimetro elettromagnetico

Muoni camere per muoni


Decadimento del

02

~ 01

~

~

SUSY

GeV 32.85 M

)MM)(MM(M

~

2~

2~

2~

2~

max01

02

)M( )eM(e

p

p

g~

b~

b

b

01

~

02

~ ~

02

~


)M(e )M(e )M( )eM(e

SUSY + SM

tt

Z+jet

W+jet


GeV 50 EmissT


GeV 32.85 M

)MM)(MM(M

~

2~

2~

2~

2~

max01

02

GeV 1.64 86.00 Mmax

Risultato del fit:

Valore generato:


p

M

M1p

01

02

~

~

GeV 92 M GeV 75

p

p

g~

b~

b

b

01

~

02

~ ~

Assumendo M nota


Ricostruzione dello sbottom

p

p

g~

b~

b

b

01

~

02

~ ~

Etmiss > 150 GeV


47.5

GeV 6.6509.5b)~M( 02

Risultato del fit:

GeV 7.549)b~

M(

GeV 5.522)b~

M(

R

L

Masse generate:


Decadimento dello sbottom

02

~01

~

~b~

b

GeV 12.844 M

)MM)(MM(M

02

01

02

02L

~

2~

2~

2~

2

b~

max

b

GeV 37.504 M

)MM)(MM(M

02

01

02

02R

~

2~

2~

2~

2

b~

max

b

GeV 50EmissT

GeV 38.11.364Mmaxb

Risultato del fit:


Ricostruzione del gluino

p

p

g~

b~

b

b

01

~

02

~ ~

Etmiss > 50 GeV Et

miss > 100 GeV Etmiss > 150 GeV


66.6

GeV 9.2611.2bb)~M( 02

Result of fit:

GeV 3.643)g~M( Generated mass:


Riduzione del fondo

b)b~

( angle


4.0cos

8.0cos

4.0cos

8.0cos

sbottom gluino


4.0cos

non dipende da M(10) !

GeV 30)~M( 01

)b~

M(-)g~M(

)b~

M(-)g~M(


30.8

GeV 5.80.78b)~M(bb)~M( 02

02

Risultato del fit:

4.0cos


Informazioni ottenute

)b~

M()g~M( Indipendentemente da )~M(

~

2~

2~

2~

2~

max

M

)MM)(MM(M

01

02

02

01

02

02R

~

2~

2~

2~

2

b~

max

b M

)MM)(MM(M

)b~

M(

)g~M()~M( %10


Conclusioni

CMS è in grado di coprire quasi interamente lo spazio dei parametri mSUGRA previsti per una scala del TeV

Se la supersimmetria è vera, la sua scoperta è altamente probabile

CMS, in alcune regioni dello spazio dei parametri è in grado di ricostruire i picchi di massa di alcune superparticelle e di ricavare sperimentalmente informazioni su parte dello spettro

Work in progress…

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