ricerca di particelle supersimmetriche con lapparato cms al large hadron collider massimiliano...
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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
Massimiliano Chiorboli Seminario di sezione
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 !
Massimiliano Chiorboli Seminario di sezione
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
Massimiliano Chiorboli Seminario di sezione
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~
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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
Massimiliano Chiorboli Seminario di sezione
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:
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Topologie a R conservata
• leptoni ad alto pT
• jet ad alto pT
• energia trasversa mancante
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Supergravita’
mSUGRA minimal SUper GRAvity
Il MSSM dipende da 124 parametri liberi
Teoria globale Teoria locale
m0
m1/2
A0
sign
tan
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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
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Limiti sulle masse
L3: selettrone
CDF: sbottom
ALEPH: chargino
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Limiti sui parametri
Teoria
LEP1
Chargini
Sleptoni
Higgs
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Nonostante non si sia vista alcuna evidenza...
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Motivazioni teoriche
Unificazione delle coupling constant...
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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
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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
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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
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Evidenze di SUSY da misure di g-2 del
2
2
ga
0a
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Evidenze di SUSY da misure di g-2 del
6.2
Esperimento E821 al Brookhaven National Laboratory
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Evidenze di SUSY da misure di g-2 del
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
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Ricerche future: LHC
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CMS
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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)
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Scoperta della supersimmetria
Canale (es. squark-gluino)
Conteggio 5B
S
Selezione degli eventi
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Contorni 5
0 2n ta0A ,g~g~ 0
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Previsioni…
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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
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Ricostruzione di sparticelle
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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)
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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
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b-tagging
Elettroni calorimetro elettromagnetico
Muoni camere per muoni
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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
~
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)M(e )M(e )M( )eM(e
SUSY + SM
tt
Z+jet
W+jet
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GeV 50 EmissT
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GeV 32.85 M
)MM)(MM(M
~
2~
2~
2~
2~
max01
02
GeV 1.64 86.00 Mmax
Risultato del fit:
Valore generato:
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p
M
M1p
01
02
~
~
GeV 92 M GeV 75
p
p
g~
b~
b
b
01
~
02
~ ~
Assumendo M nota
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Ricostruzione dello sbottom
p
p
g~
b~
b
b
01
~
02
~ ~
Etmiss > 150 GeV
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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:
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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:
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Ricostruzione del gluino
p
p
g~
b~
b
b
01
~
02
~ ~
Etmiss > 50 GeV Et
miss > 100 GeV Etmiss > 150 GeV
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66.6
GeV 9.2611.2bb)~M( 02
Result of fit:
GeV 3.643)g~M( Generated mass:
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Riduzione del fondo
b)b~
( angle
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4.0cos
8.0cos
4.0cos
8.0cos
sbottom gluino
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4.0cos
non dipende da M(10) !
GeV 30)~M( 01
)b~
M(-)g~M(
)b~
M(-)g~M(
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30.8
GeV 5.80.78b)~M(bb)~M( 02
02
Risultato del fit:
4.0cos
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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
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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…