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Supersymmetrie am Large Hadron Collider

SUSY. Supersymmetrie am Large Hadron Collider. Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik, Wien. ÖPG-FAKT-Tagung Weyer, 26 Sept. 2004. Übersicht. Einführung in die Supersymmetrie LHC und die Experimente Suche nach Supersymmetrie Bestimmung von SUSY-Parametern

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Supersymmetrie am Large Hadron Collider

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Presentation Transcript

  1. SUSY Supersymmetrie am Large Hadron Collider Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik, Wien ÖPG-FAKT-Tagung Weyer, 26 Sept. 2004

  2. Übersicht • Einführung in die Supersymmetrie • LHC und die Experimente • Suche nach Supersymmetrie • Bestimmung von SUSY-Parametern • Zusammenfassung

  3. 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 L für Gültigkeit des Standardmodells: • L < MPlanck ~ 1019 GeV • (Gravitationseffekte werden signifikant) Das Standardmodell und was kommt danach?

  4. Strahlungskorrekturen: mH2-> mH2+ d2mH • d2mH ~ L2 • Bei Einbettung des Standardmodells in eine “Grand Unified Theory” (GUT) gilt: • ~ O(mGUT) - O(mPlanck) mH sollte aber O(mZ) sein -> Korrekturen unnatürlich groß! Stabilität der Higgsmasse

  5. 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. Supersymmetrie ~ Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m = m Jedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß Symmetrie gebrochen sein: m  m ~

  6. 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. ~ Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

  7. Teilchen Spin Superpartner Spin Quarks (uL,dL) uR dR 1/2 Squarks (uL,dL) uR dR 0 ~ ~ ~ ~ Leptonen (lL,nL) lR 1/2 Sleptonen (lL,nL) lR 0 ~ ~ ~ Gluonen gl (l= 1,…,8) 1 Gluinos gl (l= 1,…,8) 1/2 ~ Eichbosonen g, Z, W± 1 Neutralinos (k = 1,2,3,4) ck0 ~ akg +bk Z+ckH10+dkH20 1/2 ~ ~ ~ ~ ~ Higgsbosonen h0, H0, A0, H± 0 Charginos (j = 1,2) cj ± ~ aj W±+bj H2,1± 1/2 ~ ~ ~ Teilchenspektrum im MSSM

  8. 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, tanb, sgn(m)] -> experimentell “einfach” zu studieren! Typischerweise gilt: m(c1±) ~ m(c20) ~ 2m(c10) m(g) > m(q) > m(c) ~ ~ ~ ~ ~ ~ mSUGRA-Modell

  9. CMS Large Hadron Collider TOTEM ALICE SPS LHC ATLAS C.-E. Wulz

  10. ~ ~ m (l, c±) > 90-100 GeV LEP II m (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I m (c = LSP) > 47 GeV LEP II ~ ~ ~ mtop = 180 GeV/c2 Schranken von LEP und Tevatron Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von mtop und mh ab.

  11. SUSY- Suchstrategie • Suche nach Abweichungen vom Standardmodell • leicht! • Messung der SUSY Massenskala MSUSY • leicht! • Messung der Modellparameter • (z.B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) • schwierig!

  12. ~ ~ Beispiel eines qg Ereignisses: q -> c20q g -> qq ~ ~ ~ m m ~ c10 m ~ ~ ~ c1±q ~ c10 e n SUSY-Kaskaden Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen, die zu Endzuständen mit Leptonen, Jets und fehlender Energie führen.

  13. SUSY Standardmodell Inklusive Suche • Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks • Falls R-ParitätR = (-1)2S+3B+Lerhalten 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 = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4 Beispiel: mSUGRA m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan b = 10, A0 = 0, m > 0 I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544

  14. -o- SUSY-Signal tt Wln, tn Znn, tt QCD jets _ _ _ SUSY - Massenskala m0=100 GeV m1/2=300 GeV tanb=2 MSUSY = 663 GeV Scatterplot für verschiedene SUSY-Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs 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:

  15. ~ ~ Massenlimits für q und g für verschiedene Luminositäten, selektiert mit Trigger ETmiss + Jets. Squarks und Gluinos 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 tanb innerhalb von mSUGRA. CMS

  16. Bestimmung von SUSY - Parametern Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren

  17. 1 Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss L. Rurua CMS CMS

  18. ~ ~ (26 %) p p g b b -> -> (35 %) (0.2 %) ~ ~ (60 %) 0 ± ± + - l l l l -> c 1 ± p l b b p Rekonstruktion von SUSY-Teilchen Beispiel: Sbottom-Erzeugung (leichte Squarks analog) • Endzustand: •  2 isolierte e /m (+/-) mit hohem pT •  2 (b-) Jets mit hohem ET • ET miss

  19. CMS 1 fb-1 ~ m(g) = 595 GeV m(c10) = 96 GeV m(c20) = 175 GeV m(b1) = 496 GeV Annahme: m(c10) bereits bekannt. p(c20 ) aus Leptonen: ~ ~ ~ ~ ~ ~ M(c20q) = (536±10) GeV Massenbestimmung für leichte Squarks Squarks (“Punkt B”) m0 100 GeV m1/2 250 GeV tan b 10 A0 0 sign m + ~ ~ ~ ~ m(uL,cL,dL,sL ) ~ 540 GeV CMS 1 fb-1 M. Chiorboli

  20. - ~ ~ M(c20b) = (500±7) GeV M(c20bb) = (594±7) GeV Massenbestimmung für Sbottom und Gluinos M. Chiorboli CMS 10 fb-1 CMS 10 fb-1

  21. SUSY Zusammenfassung • Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells. • Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert. • Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, • um ein Signal zu finden. • Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich. • Analysestrategien werden laufend verbessert.

  22. Konferenz Physics at LHC http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04 Nächste Konferenz: Krakau, Juli 2006 (voraussichtlich)

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