Suche nach Supersymmetrie am LHC

1. Suche nach Supersymmetrie am LHC Christoph AdolphBetreuer: Prof. Dr. U. KatzScheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/200705.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

2. Inhalt • Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus / Was ist Supersymmetrie? • LHC,CMS und ATLAS • Suche nach Supersymmetrie am LHC Suche nach Supersymmetrie am LHC

3. Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus • keine Gravitation • keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten • Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt • keine Lösung des Hierarchieproblems Suche nach Supersymmetrie am LHC

4. Mögliche Lösung: Supersymmetrie Standardmodell Supersymmetrie Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mitSpinunterschied ½. Suche nach Supersymmetrie am LHC

5. Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten • Größenordnung der SUSY-Brechung bei sichtbar am LHC Suche nach Supersymmetrie am LHC

6. R-Parität Allgemeines Superpotential kann Terme mit Baryonen- bzw. Leptonenzahlverletzung enthalten Abhilfe: R-Parität SM-Teilchen: R= +1SUSY-Teilchen: R= -1 • multiplikative Quantenzahl • in vielen SUSY-Modellen erhalten Suche nach Supersymmetrie am LHC

7. Konsequenzen der R - Paritätserhaltung • SUSY-Teilchen werden nur in Paaren erzeugt • Das leichteste SUSY-Teilchen ist stabil und in den meisten Modellen schwach wechselwirkend LSP  01 (leichtestes Neutralino) guter Kandidat für kalte dunkle Materie verhält sich wie entkommt Detektor ETmiss typische SUSY Signatur Suche nach Supersymmetrie am LHC

8. Das Hierarchie -/Natürlichkeitsproblem im SM: Korrekturen der Higgs-Masse (u.a.) hängen quadratisch von der Massenskala ab, d.h. Korrekturen unnatürlich groß mit SUSY: quadratische Kor-rekturen kürzen sich, da im Idealfall ABER: noch keine SUSY Teilchen gefunden Suche nach Supersymmetrie am LHC

9. SUSY-Brechung • noch keine SUSY-Teilchen beobachtet mSUSY > mSM SUSY gebrochen • aber quadratische Divergenzen der Fermionen und Bosonen sollen sich aufheben (Higgsmasse) nur schwache Brechung Folge: Minimales Supersymmetrisches Modell (MSSM) mit 105 neuen Parameter! Suche nach Supersymmetrie am LHC

10. SUSY-Brechung • Modell der SUSY Brechung: • Symmetriebrechung geschieht in einem verborgenen Sektor • Wechselwirkung zwischen verborgenem und sichtbarem Sektor • Arten der Wechselwirkung: • Brechung durch Gravitation: mSUGRA • Brechung durch Eichfelder: GMSB Suche nach Supersymmetrie am LHC

11. Das mSUGRA Modell • Vereinfachung des MSSM auf 5 freie Parameter: • m1/2 universelle Masse der Gauginos • m0 universelle skalare Masse • A0 universelle Kopplung • tan Verhältnis der Vakuumserwartungswerte der Higgsfelder • sgn(µ) Vorzeichen des Higgsino-Mischungsparameter • Verbindung mit allgemeiner Relativitätstheorie Vorteil: • überschaubarer Parameterraum häufig benutztes Modell Suche nach Supersymmetrie am LHC

12. Der Parameterraum • SUSY-Massen hauptsächlich durch m1/2 und m0 festgelegt • tan und sgn(µ) betreffen den Higgs-Sektor • meistens A0=0 Betrachtung der m1/2-m0-Ebene für einige tan und sgn(µ) Suche nach Supersymmetrie am LHC

13. Erlaubte Bereiche in der m1/2-m0-Ebene für verschiedene Einschränkungen tanb=35 tanb=50 Suche nach Supersymmetrie am LHC

14. mSugra + WMAP • Unter Einbeziehung der verschiedenen Annihilationskanäle und den Einschränkungen aus WMAP-Datenanalysen, lässt sich der Parameterraum in mSugra-Modellen in fünf ver-schiedene Regionen unterteilen: • Bulk-Region: • focus-point-Region: oder • A-Resonanz-Region: • h-Resonanz-Region: Stark von top-Quarkmasse abhängig • Stau-Koannihilationsregion: z.B. Suche nach Supersymmetrie am LHC

15. Schranken von LEP und Tevatron • Squarks, Sleptonen und Gluinos schwerer als Charginos und Neutralinos • Derzeitige Massenlimits:m (l, c±) > 90-100 GeV LEP IIm (q,g) > 250 GeV Tevatron Run Im (c = LSP) > 47 GeV LEP II ~ ~ ~ Suche nach Supersymmetrie am LHC

16. CMS Der LHC TOTEM ALICE SPS LHC ATLAS Suche nach Supersymmetrie am LHC

17. Technische Daten • Proton-Proton Ringbeschleuniger • 2835x2835 Bunches mit 1011 Protonen/Bunch • Crossing Rate 40 MHz • ~ 107-109 Kollisionen/s • 14 TeV Schwerpunktenergie • 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde • 1232 15m lange, supraleitende Magnete (8,33T) • finale Luminosität L= 1034 cm-2 s-1(vgl. TEVATRON L ~1031 cm-2 s-1 ) Suche nach Supersymmetrie am LHC

18. CMS Suche nach Supersymmetrie am LHC

19. CMS - Aufbau Suche nach Supersymmetrie am LHC

20. ATLAS Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t Suche nach Supersymmetrie am LHC

21. Suchstrategie • Suche nach Abweichung vom Standardmodell, z.B. ETmiss und Identifikation als SUSY • Bestimmung der SUSY Massenskalaz.B. effektive Massenverteilung • Bestimmung der ModellparameterStrategie: Selektion spezieller Zerfallsketten, Suche nach kinematischen Endpunkten, um Massen-kombinationen zu bestimmen (schwierig!) Suche nach Supersymmetrie am LHC

22. Suche nach Supersymmetrie am LHC • Squarks und Gluinos werden über starke Wechsel-wirkung produziert • Zerfall in Leptonen, Hadronenjets und LSP ETmiss 2l + 6j + ETmiss 2l + 2n + 6j + ETmiss Suche nach Supersymmetrie am LHC

23. Suche nach Abweichungen vom Standardmodell • Kaskadenzerfälle in das LSP: Suche nach mehreren Jets und fehlender transversaler Energie • Typische Selektion: Njet > 4 ET > 100, 50, 50, 50 GeV ETmiss > 100 GeV • Bestimmung der „effektiven Masse“Meff = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4 Suche nach Supersymmetrie am LHC

24. Erwartete Ergebnisse • Erreichbare Squark- und Gluino Massen am LHC: • 1 fb-1 M ~ 1500 GeV • 10 fb-1 M ~ 1900 GeV • 100 fb-1 M ~ 2500 GeV • Supersymmetrie im Bereich von einigen • TeV kann schnell gefundenwerden SUSY SM m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan b = 10, A0 = 0, m > 0 Suche nach Supersymmetrie am LHC

25. Erwartete Ergebnisse andere SUSY Signaturen, z.B.Leptonen, b-jets, t‘s Multijet + ETmiss Signatur Suche nach Supersymmetrie am LHC

26. Bestimmung der SUSY Modellparameter Unsichtbares LSP, daher keine vollständige Massen-rekonstruktion möglich Einfachster Fall 02  01 + -M≤ M(02) - M(01)(signifikanter Zerfall, wenn keinec02 → c01Z, c01h Zerfälleauftreten) Auswahl: 2 isolierte Leptonen, Jets und große ETmiss Suche nach Supersymmetrie am LHC

27. Bestimmung der SUSY Modellparameter • Kante im Dilepton-Spektrum Hinweis auf Produktionvon 02 Hinweis auf SUSY • Durch Anwendung geeigneter Cuts (z.B. ETmiss>150GeV)geringer SM-Untergrund • Entdeckung möglich ab Lint = 10fb-1 Suche nach Supersymmetrie am LHC

28. 02 01h, h  • Unterdrückung des SM-Hintergrundes durch geeigneten Cut bei ETmiss Suche nach Supersymmetrie am LHC

29. Zusammenfassung • Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells und löst viele Probleme. • Falls Supersymmetrie existiert, sollte sie am LHC gefunden werden. • Theoretisch nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, • um evtl. ein Signal zu finden (bei voll verstandener Technik). Suche nach Supersymmetrie am LHC

30. Literatur • A.V.Gladyshev, D.I.Kazakov: Supersymmetry and LHC[hep-ph/0606288] • CERN Summer Student Lectures http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7 • John Ellis: Beyond the Standard Model for Hillwalkers[hep-ph/9812235] • Discovery potential for supersymmetry in CMS[hep-ph/9806366] Suche nach Supersymmetrie am LHC