supersymmetrieam large hadron collider Öpg-fakt-tagung weyer, 26 sept. 2004 claudia-elisabeth wulz...
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SupersymmetrieSupersymmetrie amam
Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider
ÖPG-FAKT-TagungWeyer, 26 Sept. 2004
Claudia-Elisabeth WulzClaudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik, Wien
SUSY
C. - E. Wulz 2 ÖPG, Sep. 2004
Übersicht
Einführung in die Supersymmetrie
LHC und die Experimente
Suche nach Supersymmetrie
Bestimmung von SUSY-Parametern
Zusammenfassung
C. - E. Wulz 3 ÖPG, Sep. 2004
Das Standardmodell und was kommt danach?
Das Standardmodell wurde bis O(100 GeV) eindrucksvoll experimentell bestätigt, in manchen Fällen mit einer Präzision von 0.1%!
Es kann jedoch nur eine beschränkte Gültigkeit haben, da:- Gravitation nicht inkludiert- keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten- Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt- keine Lösung des Hierarchieproblems- etc.
Energieskala für Gültigkeit des Standardmodells:
< MPlanck ~ 1019 GeV
(Gravitationseffekte werden signifikant)
C. - E. Wulz 4 ÖPG, Sep. 2004
Stabilität der Higgsmasse
Strahlungskorrekturen: mH2
-> mH2
+ 2mH
2mH ~ 2
Bei Einbettung des Standardmodells in eine “Grand Unified Theory” (GUT) gilt:
~ O(mGUT) - O(mPlanck)
mH sollte aber O(mZ) sein -> Korrekturen unnatürlich groß!
C. - E. Wulz 5 ÖPG, Sep. 2004
Supersymmetrie
Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m mJedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß Symmetrie gebrochen sein: m m
~
~
Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungs-korrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden, fordert man zu jedem Fermion des Standardmodells einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa.
C. - E. Wulz 6 ÖPG, Sep. 2004
Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten
mGUT ~ 1016 GeV
Die Kopplungskonstanten können innerhalb von SUSY vereint werden, nicht jedoch im Standardmodell. Wenn die Masse des SUSY-Partners in der Größenordnung m ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUT-Vereinigung bis zu 1016 GeV.
~
C. - E. Wulz 7 ÖPG, Sep. 2004
Teilchenspektrum im MSSM
1/2Charginos (j 1,2)
j ± ~ aj W±+bj H2,1
±0
Higgsbosonen
h0, H0, A0, H±
1/2Neutralinos (k 1,2,3,4)
k0 ~ ak+bk Z+ckH1
0+dkH20
1Eichbosonen
, Z, W±
1/2Gluinos
g ( 1,…,8)1
Gluonen
g ( 1,…,8)
0Sleptonen
(lL,L) lR
1/2Leptonen
(lL,L) lR
0Squarks
(uL,dL) uR dR
1/2Quarks
(uL,dL) uR dR
SpinSuperpartnerSpinTeilchen
~
~ ~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~ ~ ~
~~ ~
C. - E. Wulz 8 ÖPG, Sep. 2004
mSUGRA-Modell
SUSY muß gebrochen sein. “Soft SUSY Breaking”: Terme in der Lagrangedichte, die keine quadratischen Divergenzen einführen. Wenn man Gaugino-Massen, skalare Massen, bilineare und trilineare Kopplungen per Higgsmechanismus generieren will, so braucht man zusätzliche Felder zu den MSSM-Feldern. Diese neuen Felder gehören zu einem “verborgenen Sektor”, der die SUSY-Brechung dem sichtbaren Sektor (MSSM) überträgt.Im mSUGRA-Modell erfolgt die Übertragung durch Gravitationswechselwirkungen auf einer Skala von <F> ~ (1011 GeV)2 msoft ~ <F>/mPlanck
MSSM hat 105 Parameter, mSUGRA nur 5 [m0, m1/2, A0, tan, sgn()] -> experimentell “einfach” zu studieren!Typischerweise gilt: m(1
±) ~ m(20) ~ 2m(1
0) m(g) > m(q) > m()~ ~ ~ ~ ~ ~
C. - E. Wulz 9 ÖPG, Sep. 2004
Large Hadron Collider
C.-E. Wulz
LHC
SPS
CMSCMS
TOTEMTOTEM
ATLASATLAS
ALICEALICE
C. - E. Wulz 10 ÖPG, Sep. 2004
Schranken von LEP und Tevatron
mtop = 180 GeV/c2
m (l, ) > 90-100 GeV LEP IIm (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I
m (= LSP) > 47 GeV LEP II
~ ~
~~ ~
Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von mtop und mh ab.
C. - E. Wulz 11 ÖPG, Sep. 2004
SUSY- Suchstrategie
• Suche nach Abweichungen vom Standardmodell leicht!
• Messung der SUSY Massenskala MSUSY
leicht!
• Messung der Modellparameter
(z.B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) schwierig!
C. - E. Wulz 12 ÖPG, Sep. 2004
SUSY-Kaskaden
Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen, die zu Endzuständen mit Leptonen, Jets und fehlender Energie führen.
~~Beispiel eines qg Ereignisses:
q -> 20 q
g -> qq
10~
~
~
e 10~
~
~
~
~
1± q
C. - E. Wulz 13 ÖPG, Sep. 2004
Inklusive Suche
BeispielBeispiel:: mSUGRAm0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan = 10, A0 = 0, > 0
Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks
Falls R-Parität R = (-1)R = (-1)2S+3B+L2S+3B+L erhalten ist, findet man charakteristische Ereignisse durch Kaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlende Energie
Typische Selektion: NJet > 4, ET > 100, 50, 50, 50 GeV, ETmiss > 100 GeV
“Effektive Masse”Meff = ET
miss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4
SUSY
Standardmodell
I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544
C. - E. Wulz 14 ÖPG, Sep. 2004
SUSY - Massenskala
Das Maximum der Massenverteilung von Meff bzw. Der Punkt, an an dem das Signal den Untergrund des Standardmodells zu übertreffen beginnt, liefert eine erste Abschätzung der SUSY-Massenskala, die wie folgt definiert ist:
)M,min(MM Ru~g~SUSY =
Scatterplot für verschiedene SUSY-Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs
m0=100 GeV m1/2=300 GeVtan=2
MSUSY = 663 GeV
-o- SUSY-Signal
tt
W l,
Z ,
QCD jets
_
_ _
C. - E. Wulz 15 ÖPG, Sep. 2004
Squarks und Gluinos
Massenlimits für q und g für verschiedene Luminositäten,selektiert mit TriggerET
miss + Jets.
~ ~
1 Jahr bei 1034 cm-2s-1
1 Jahr bei 1033 cm-2s-1
1 Monat bei 1033 cm-2s-1
Die im 1. LHC-Jahr erreichbaren Massenlimits für Squarks und Gluinos sind mindestens 2 TeV (m0 < 2 TeV, m1/2 < 1 TeV) für alle tan innerhalb von mSUGRA.
CMS
C. - E. Wulz 16 ÖPG, Sep. 2004
Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren
Bestimmung von SUSY - Parametern
C. - E. Wulz 17 ÖPG, Sep. 2004
Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen
Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss
1
CMS
CMS
L. Rurua
C. - E. Wulz 18 ÖPG, Sep. 2004
Rekonstruktion von SUSY-Teilchen
Endzustand:• 2 isolierte e / (+/-) mit hohem pT • 2 (b-) Jets mit hohem ET • ET
miss
~~ bb g pp
b~02
−+ ll01
~
(26 %)
(35 %)
(0.2 %)
llll01
~ ~
(60 %)
01
~p
p
g~
b~
b
b
l
±l
02
~ ±l~
Beispiel: Sbottom-Erzeugung(leichte Squarks analog)
C. - E. Wulz 19 ÖPG, Sep. 2004
Massenbestimmung für leichte Squarks
Squarks (“Punkt B”)
CMS 1 fb-1
+sign
0A0
10tan
250 GeVm1/2
100 GeVm0
~ ~ ~ ~
CMS 1 fb-1
m(uL,cL,dL, sL ) ~ 540 GeV~
~
m(g) = 595 GeVm(1
0) = 96 GeVm(2
0) = 175 GeVm(b1) = 496 GeV
Annahme: m(10) bereits bekannt.
p(20 ) aus Leptonen:
~~
~
~
M(20q) = (536±10) GeV~
M. Chiorboli
C. - E. Wulz 20 ÖPG, Sep. 2004
Massenbestimmung für Sbottom und Gluinos
M(20b) = (500±7) GeV~ M(2
0bb) = (594±7) GeV~ -
CMS 10 fb-1 CMS 10 fb-1
M. Chiorboli
C. - E. Wulz 21 ÖPG, Sep. 2004
Zusammenfassung
• Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells.Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells.
• Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert.Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert.
• Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, um ein Signal zu finden.um ein Signal zu finden.
• Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich.Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich.
• Analysestrategien werden laufend verbessert.Analysestrategien werden laufend verbessert.
SUSY
C. - E. Wulz 22 ÖPG, Sep. 2004
Konferenz Physics at LHC
http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04
Nächste Konferenz:
Krakau, Juli 2006(voraussichtlich)