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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 4

Physik am LHC und erste Resultate. Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften. Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 4. Offene fundamentale Fragen. Inhalt Teil 4. Supersymmetrie

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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 4

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  1. Physik am LHC und ersteResultate Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysik ÖsterreichischeAkademiederWissenschaften HerbstschulefürHochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 4

  2. Offene fundamentale Fragen InhaltTeil 4 Supersymmetrie SUSY Higgsteilchen

  3. Literatur ATLAS publicphysicsresults: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/AtlasResults CMS publicphysicsresults: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResults M. Mühlleitner: Supersymmetrie an Collidern http://www-itp.particle.uni-karlsruhe.de/~maggie/susycolliders/aktuell.pdf I. Aitchinson:Supersymmetry and the MSSM: An Elementary Introduction http://arxiv.org/abs/hep-ph/0505105 P. Labelle: supersymmetryDeMYSTiFieD, McGrawHill (2010)

  4. Gültigkeit des Standardmodells • DasStandardmodellwurdebis O(100 GeV) eindrucksvollexperimentellbestätigt. • Es kannjedochnureinebeschränkteGültigkeithaben, da: • Gravitation nichtinkludiert • keineVereinheitlichungderKopplungskonstanten • UrsprungderdunklenMaterienichterklärt • keineLösung des Hierarchieproblems • etc. • EnergieskalaLUV (“ultraviolet cutoff”) fürGültigkeit des Standardmodells: • LUV< MPlanck • (GravitationseffektewerdenbeiderPlanckmassesignifikant)

  5. StabilitätderHiggsmasse Strahlungskorrekturen (Loop-Korrekturen): mH2-> mH2+DmH2 DmH2~ LUV2 mHsollteaber von derOrdnungderelektroschwachenSkalasein (v = 246 GeV) -> Korrekturenunnatürlichgroß! f S S lf S lf ,lS… Kopplungen des Fermions bzw. des Skalars an das Skalar(Higgs)feld lS

  6. Supersymmetrie • Wenn die Kopplungenlf=lS=lsind, löschen die gefährlichenquadratischenTermeeinander. Derlogarithmischdivergierende Term verbleibtklein, wennmFnichtzugroß, also derOrdnung O(1 TeV), ist: • EigenschaftendersupersymmetrischenTheorie • Verdoppelung des Teilchenspektrums • Gleichheitderfermionischen und bosonischenKopplungskonstanten

  7. ZujedemFermion des Standardmodellsgibteseinensupersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. ~ Falls SUSY exakteSymmetrieist, gilt: m=m Jedochwurdebisherkein SUSY-Teilchengefunden, deshalbmußSymmetriegebrochensein: mm ~ SUSY Supersymmetrie _ SUSY-Transformation (Q, Q … SUSY-Generatoren, komplexeWeyl-Spinoren): Q |Fermion > = Boson, Q |Boson > = Fermion

  8. SUSY-Algebra Die SUSY-Algebra enthält die Generatoren Q sowie die Poincaré-Algebra mitfolgendenKommutationsregeln (Pm … 4er-Impulsoperator, Mmn… Generator derLorentztransformation): Aus letzter Relation wirdersichtlich, dasszwei SUSY-Transformationenhintereinanderausgeführtzueiner Translation in derRaum-Zeitführenoderdass das Quadrat des SUSY-Generators Qder 4-er Impulsist. SomitisteinZusammenhangzwischen SUSY und derallgemeinenRelativitätstheoriezuerwarten! Aus derEichinvarianzunterRaum-Zeit-Translationenfolgt die Theorieder Gravitation, d.h. SUSY beinhaltet die Gravitation. Sieist in derSupergravitation (SUGRA) miteingebaut.

  9. Supermultipletts Man ordnet die bekanntenFermionen und Eichbosonen in Supermultiplettszusammenmitihren SUSY-Partnernein. ChiralesSupermultiplett Es gibt 2 komplexeHiggsdubletts -> 8 Freiheitsgrade. 8-3 (Goldstonebosonen) -> 5 Higgsbosonen. Das SM Higgs isteineLinearkombinationausHu und Hd.

  10. Supermultipletts Eich-Supermultiplett W0, B0mischenzu Z0 und g. Die analogeGauginomischungergibt die EigenzuständeZino (Z) und Photino (g). ~ ~ Gravitations-Supermultiplett

  11. Teilchen Spin Superpartner Spin Quarks (x3 Familien) (uL,dL) uRdR 1/2 Squarks(x3 Familien) (uL,dL) uRdR 0 ~ ~ ~ ~ Leptonen(x3 Familien) (lL,nL) lR 1/2 Sleptonen(x3 Fam.) (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~ akW0+bkB0+ckHd0+dkHu0 1/2 ~ ~ ~ ~ Higgsbosonen h0, H0, A0, H± 0 Charginos(j = 1,2) cj± ~ ajW±+bjHu,d± 1/2 ~ ~ ~ Teilchenspektrumim MSSM ~

  12. SupersymmetrischeVereinigung • Vielleichtsind die elektroschwache und die starke Kraft vereint. In diesem Fall würdenLeptonen und Quarks ineinanderübergehenkönnen und das Proton wärenichtstabil. DerMassenwert, beidemVereinigung in einerentsprechendenTheorie (“Grand Unified Theory”, GUT) eintritt, mußgroßgenugsein, so daß die Zerfallsrate des Protons mitdemexperimentellgemessenen Wert kompatibelist. • Die Kopplungskonstanten ”laufen" in Quantenfeldtheorienaufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In derQuantenelektrodynamikist die elektrischeLadungedurchFluktuationen von Photonen in e+e--PaarebiszueinerDistanz vonle ~ 1/meabgeschimt. Dahersteigtaemmitsteigender Masse: • aem(0) = 1/137,aem(mZ) = 1/128.

  13. MGUT~ 1016GeV Die Kopplungskonstantenkönneninnerhalb von SUSY vereintwerden, nichtjedochimStandardmodell. Wenn die Masse des SUSY-Partners in derGrößenordnungm ~ 1 TeVliegt, dann gilt die GUT-Vereinigungbiszu 1016GeV. ~ VereinheitlichungderKopplungskonstanten

  14. mSUGRA-Modell SUSY mußgebrochensein. “Soft SUSY Breaking”: Terme in derLagrangedichte, die keinequadratischenDivergenzeneinführen. Wenn man Gaugino-Massen, skalareMassen, bilineare und trilineareKopplungen per Higgsmechanismusgenerieren will, so braucht man zusätzliche Felder zu den MSSM-Feldern. Dieseneuen Felder gehörenzueinem “verborgenenSektor”, der die SUSY-BrechungdemsichtbarenSektor (MSSM) überträgt. ImmSUGRA-Modellerfolgt die ÜbertragungdurchGravitationswechselwirkungen auf einerSkala von <F> ~ (1011 GeV)2msoft ~ <F>/MPlanck MSSM hat 105 Parameter, mSUGRAnur 5 [m0, m1/2, A0, tanb (<Hu>/<Hd>), sgn(m)] -> experimentell “einfach” zustudieren! Typischerweise gilt: m(c1±) ~ m(c20) ~ 2m(c10) m(g) > m(q) > m(c) ~ ~ ~ ~ ~ ~

  15. Massen m0 … skalare Masse beider GUT-Skala m1/2 …Gauginomassebeider GUT-Skala Parameterpunkt SU3: m0=100 GeV, m1/2=300 GeV, A0 = -300 GeV tanb=6, m>0 ElektroschwacheSkala GUT-Masse Massenvereinheitlichung BeispielfüreinmSUGRA-Massenspektrum

  16. ~ ~ m(l, c±) >62-116GeV m (q,g) >89-379GeV m(c= LSP) >46 GeV ~ ~ ~ Schranken von LEP und Tevatron CDF Derausgeschlossenetan- Bereichhängtstark von mtop und mhab. Ma. Laach, Sep. 2010

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

  18. ~ ~ BeispieleinesqgEreignisses: q -> c20q g -> qq ~ ~ ~ m m ~ c10 m ~ ~ ~ c1±q ~ c10 e n SUSY-Kaskaden SupersymmetrischeTeilchenkönnenspektakuläreSignaturendurchKaskadenzerfälleaufweisen, die zuEndzuständenmitLeptonen, Jets und fehlenderEnergieführen. TypischeSuchkanäle: hadronische (Jets + ETmiss), leptonische (Leptonenpaaregleicher/ungleicherLadung, mehrereLeptonen, sowie Jets und/oderETmiss).

  19. SUSY Standardmodell InklusiveSuche • Produktionvon SUSY-Teilchen am LHC dominiertdurchGluinos und Squarks • Falls R-ParitätR = (-1)2S+3B+Lerhaltenist, findet man charakteristischeEreignissedurchKaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlendeEnergie • TypischeSelektion: NJet > 4, ET > 100, 50, 50, 50 GeV, ETmiss > 100 GeV “Effektive Masse” Meff = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJe3 + ETJet4 Beispiel:mSUGRA m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tanb = 10, A0 = 0, m > 0 I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544

  20. -o- SUSY-Signal tt Wln, tn Znn, tt QCD jets _ _ _ SUSY-Massenskala MSUSY = 663 GeV Parameterpunkt SU3: m0=100 GeV m1/2=300 GeV A0 = -300 GeV tanb=6 m>0 Scatterplotfürverschiedene SUSY-Modellemitannäherndgleicher Masse des leichtenHiggs Das Maximum derMassenverteilung von Meffbzw. DerPunkt, an an dem das Signal den Untergrund des Standardmodellszuübertreffenbeginnt, lieferteineersteAbschätzungder SUSY-Massenskala, die wiefolgtdefiniertist:

  21. mSUGRAEntdeckungspotential mSUGRA-Sensitivitätmit rein hadronischerSignatur HoheEffizienz, aberauchhoherUntergrund (QCD, Z+Jets, W+Jets). Hängtnurschwach von tanb ab. CMS Note 2010/008 mSUGRA-SensitivitätmitisoliertenLeptonengleicherLadung Untergrundrelativklein (tt, falschidentifizierteLadungenaus W etc.) CMS

  22. mSUGRAEntdeckungspotential AndereSUSY Signaturen, z.B. Leptonen, b-jets, t‘s Multijet + ETmissSignatur ErreichbareSquark- und Gluinomassen 1 fb-1 M ~ 1500 GeV 10 fb-1 M ~ 1900 GeV 100 fb-1 M ~ 2500 GeV CMS Ma. Laach, Sep. 2010

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

  24. 1 Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss CMS CMS

  25. ~ ~ (26 %) p p g b b -> -> (35 %) (0.2 %) ~ ~ (60 %) 0 ± ± + - l l l l -> c 1 Rekonstruktion von SUSY-Teilchen Beispiel: Sbottom-Erzeugung (leichteSquarksanalog) ± p b • Endzustand: •  2 isolierte e /m (+/-) mit hohem pT •  2 (b-) Jets mit hohem ET • ET miss b p

  26. CMS 1 fb-1 ~ m(g) = 595GeV m(c10) = 96 GeV m(c20) = 175 GeV m(b1) = 496 GeV Annahme: m(c10) bereitsbekannt. p(c20 ) ausLeptonen: ~ ~ ~ ~ ~ ~ M(c20q) = (536±10) GeV Massenbestimmung von leichtenSquarks Squarks (“PunktB”) m0 100 GeV m1/2 250 GeV tanb 10 A0 0 signm + ~ ~ ~ ~ m(uL, cL, dL,sL) ~ 540 GeV CMS 1 fb-1 M. Chiorboli

  27. - ~ ~ M(c20b) = (500±7) GeV M(c20bb) = (594±7) GeV Massenbestimmung von Sbottoms und Gluinos CMS 10 fb-1 CMS 10 fb-1

  28. SUSY-Higgssektor ImminimalensupersymmetrischenStandardmodellgibtes 5 Higgsbosonen: h0, H0, A0 und H±. Die SuchenachihnenerfolgtteilweiseähnlichwieimStandardmodell. MSSM Higgsteilchenkönnenaberauch in SUSY-Teilchenzerfallen, fall kinematischerlaubt, unterProduktion von Kaskadenerfällen. Sogar ”unsichtbare” Higgszerfällesindmöglich, z.B. in NeutralinosoderGravitinos.

  29. NeutraleHiggsteilchenim MSSM PRODUKTION DirekteProduktion ZERFALL h/H/At+t- bb Dominant beigroßemtanb, abergroßerUntergrund h/H/At+t- GroßesVerzweigungsverhältnis, klarerEndzustand h/H/Am+m- SehrkleinesVerzweigungsverhältnis, klarerEndzustand, guteMassenauflösung AssoziierteProduktionmitb-Quarks dominant beihohemtanb TYPISCHE ENDZUSTÄNDE StandardmodellähnlicheEndzustände, aus VBF qqh/Ht+t- und direkterProduktionmithgg h/H/At+t- 2l + 4n, lth+ 3n, 2th+ 2n h/H/Am+m-

  30. Entdeckungspotentialfürh, H, A

  31. GeladeneHiggsteilchenim MSSM Schweres H± (mH± > mt) Leichtes H± (mH± < mt) UntersuchteEndzustände: tH+bqqthn, tbH+bqqbthn Rekonstruktion des Tops essentiell! UntersuchteEndzustände: bH+bWbth(l)nbqq, bthnbln MT > 100 GeV Ma. Laach, Sep. 2010

  32. H±Entdeckungspotential 2009 D0 mhmax 5s Konturenbei 1, 10 und 30 fb-1

  33. Seiltänzer: 1 Dimension Ameise: 2 Dimensionen (2. Dimension aufgerollt) ZusätzlicheDimensionen Unser bekanntesUniversum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension Stringtheorie: mindestens 6 zusätzlicheDimensionen Gravitation scheint 10-38 mal so schwachimVergleichzurstarkenWechselwirkung -> schwervereinbarmitanderenKräften! MöglicheLösung dieses HierarchieproblemsdurchExtradimensionen. Ma. Laach, Sep. 2010

  34. Gravitation unser 3+1-dimensionales Universum Gravitation Extra-Dimension ModellemitExtradimensionen • Es gibtverschiedeneModelle, die folgendeGemeinsamkeitenhaben: • Wirlebenim 3+1-dimensionalen (Unter)raum(Brane, Membran) • Die Braneisteingebettet in einen 3+1+ddimensionalenRaum(Bulk) • Die dExtradimensionenhaben die gleicheGrößeR • AlleTeilchen und Felder, die im Bulk leben, sind in Kaluza-Klein-Türmenrepliziert. • O. Klein 1926: Extradimensionensindaufgerollt, d.h. einTeilchen, das sichentlangdieserDimensionenbewegt, kommtwieder an den Ausgangsortzurück. Es bildensichstehendeWellen. • Unterschiededer • verschiedenenModelle: • Größe und Geometrie • des Bulk • Teilchenarten, die sichim • Bulk ausbreitendürfen Ma. Laach, Sep. 2010

  35. ADD-Modell – großeExtradimensionen Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, arXiv:hep-ph/9803315v1 Nichtmehr die effektive 4-dim. Planckskala, sondern die QuantengravitätsskaladerhöherdimensionalenTheorieMD ist relevant. Die einzigefundamentaleSkalasoll die elektroschwacheSkalaMEW≈ MD ≈1 TeVsein! • BekannteTeilchenlebenin der3+1-dimensionalenBrane • Graviton kannsichauchim Bulk bewegen • Es gibt d≥2 Extradimensionen • Extradimensionensindaufgerollt in Torus mitKompaktifikationsradiusR • d = 2: R ≈ 1 mm, d = 3: R ≈ 1 nm Newton-Gravitationsgesetzbis ca. 0.1 mm getestet. • Das Graviton entsprichteinem KK-Turmmit 3+1-Massenspektrum • Ml = l/R (l = 0,1,2, …). Ma. Laach, Sep. 2010

  36. Graviton Rückstoßprodukte Graviton-Suche am LHC Gravitonenkönnensichungehindertauch in den Extra-Dimensionenausbreiten. MitderEnergie des LHC sollteesmöglichsein, WW von Teilchen in unsererBranebeiAbständen von ca. 10-15m (Protondurchmesser) zuuntersuchen. DieseDistanzenliegenvielleicht in dergleichenGrößenordnungwie die RadienderaufgerolltenDimensionen. Signal in den Detektoren: fehlendeEnergie! Diesekannaberauch von Neutrinos oderNeutralinosstammen, deshalbsindModellberechnungennötig. Ma. Laach, Sep. 2010

  37. Randall-SundrumModell (Warped Extra Dimensions) Randall, Sundrum, PRL 83 (1999) 3370 5D-Modell mitMetrik: hmn … Gravitonfeld Davoudiasl, Hewett Rizzo, PRD63, 075004 4D 4D Ma. Laach, Sep. 2010

  38. Schwarze Löcher Definition: Objekt, dessen Gravitation so stark ist, dassselbstLichtnichtnachaußengelangenkann. AbdemEreignishorizontist die Fluchtgeschwindigkeitgrößerals die Lichtgeschwindigkeit. DerSchwarzschildradiusdefiniert die Größeeinesschwarzen Lochs (MSL> MP): Wenndie Gravitation beikleinenDistanzendurchExtradimensionengroßwird(MP -> MD), könnteder LHC auchmikroskopischeSchwarzeLöcher (Ø 10-18 m) produzieren. Die kollidierendenPartonenmüsstensich auf Distanzenkleinerals 2 RSannähern. Die schwarzenLöchersolltenjedochsehrschnell (~10-26 s)durch Hawking-Strahlungverdampfen (TH~1/MSL), unterErzeugungallermöglichenStandard-modellteilchen. Signatur am LHC: viele Jets und LeptonenmithohempT. Ma. Laach, Sep. 2010

  39. SchwarzeLöcherbei ATLAS Ma. Laach, Sep. 2010

  40. BACKUP

  41. SUSY-Higgse in ATLAS 5 s - Konturen

  42. Produktiongeladener MSSM Higgse

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