Suche nach exotischer Physik mit ATLAS Inhalt: Erörterung welches Potential ATLAS besitzt, um neue Physik (Teilchen) zu entdecken! Andreas Stegmeir, 14.1.2009.

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1 Suche nach exotischer Physik mit ATLAS Inhalt: Erörterung welches Potential ATLAS besitzt, um neue Physik (Teilchen) zu entdecken! Andreas Stegmeir, 14.1.2009

2 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 2 14.1.2009 1. Vorgehensweise 2. Dileptonresonanzen 3. Lepton + fehlende Transversalenergie 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos 5. Zusammenfassung Inhalt:

3 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 3 14.1.2009 1. Vorgehensweise Viele theoretische Modelle sagen neue Teilchen voraus Diese Teilchen können als Peak im Wirkungsquerschnitt nachgewiesen werden - Der Nachweis ist wohl nur möglich über die Zerfallsprodukte, da die neuen Teilchen wohl sehr kurzlebig wären - Aus der Breite der Resonanz kann bei entsprechender Detektorauflösung die Lebensdauer des Teilchens bestimmt werden - Masse des Teilchen kann rekonstruiert werden über invariante Masse der Zerfallsprodukte

4 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 4 14.1.2009 1. Vorgehensweise Experimentelle Probleme A) Untergrundprozesse (das sind bekannte Prozesse, die durch das Standardmodell vorhergesagt werden können) überdecken meist das gesuchte Signal. Ausweg: - Trigger, Event Selection: Es werden nur Ereignisse gezählt, die für einen gesuchten Prozess charakteristisch sind. ► Signatur - Auswahl der Ereignisse wird so gewählt, dass Effizienz und Unterdrückung möglichst groß sind.

5 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 5 14.1.2009 1. Vorgehensweise B) Der Untergrund könnte aufgrund statistischer Fluktuationen ein signalähnliches Resultat liefern. Ausweg: - Die Signifikanz gibt ein Maß dafür an, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Signal wirklich ein Signal ist. - Bestimmung der Signifikanz mittels Shape Analasys oder Number Counting: (s=Signalereignisse in bestimmten Intervall) (b=Untergrundereignisse in bestimmten Intervall) - Für die „Entdeckung eines neuen Teilchens“ wird eine Signifikanz von mindestens 5σ benötigt!!

6 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 6 14.1.2009 1. Vorgehensweise Bestimmung des Entdeckungspotentiales von ATLAS - Auf Basis einer neuen Theorie werden Signale mit verschiedenen Parametern der Theorie (Massen, Luminositäten) simuliert: Pseudoexperimente(m,L,..) - Für jedes Pseudoexperiment(m,L,..) wird die Signifikanz des Signals bestimmt. Falls die Signifikanz höher als 5σ ist kann mit den gewählten Parametern das Teilchen entdeckt werden  Ergebnis ist dann z.B. eine Kurve, die für bestimmte Massen des Teilchens eine Mindestluminosität vorhersagt Integrierte Luminosität, die benötigt wird für die Entdeckung (5σ) eines Z‘ mittels des Kanals Z‘→e + e -

7 2. Dileptonresonanzen: Theoretische Modelle - z.B.: GUT: SU(3) C x SU(2) R x SU(2) L x U(1) B-L  Voraussage neuer Eichbosonen (SU(2) R –Triplett): Z‘, W‘ +- (später). - Das Z‘ wird auch von vielen anderen Modellen vorhergesagt: Sequential Standard Modell, Left Right Symmetric Modell…. - Randall Sundrum Graviton G: Anregungen des Gravitons - Technicolormesonen ω TC ρ TC : Voraussage neuer Technifermionen die über eine QCD ähnliche Kraft miteinander wechselwirken Dileptonresonanzen: Nachweis von neutralen Teilchen, die in zwei geladene Leptonen zerfallen. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 7 14.1.2009 X→ l + + l -

8 2. Dileptonresonanzen Signatur: Zwei hochenergerische Leptonen mit entgegengesetzter Ladung in unterschiedlichen Hemisphären des Detektors. Untergrund am Beispiel Z‘  e + +e - : Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 8 14.1.2009 Elektronensignal Jet Elektron oder Photon W-Bosonen W  e+ν Neutraler Drell-Yan Prozess reduzibel Irreduzibel !!!

9 2. Dileptonresonanzen - Untergründe sind also: Jet+Jet, W+jet, W+Photon, Z+Jet (nur ein Elekton vom Z-Zerfall rekonstruiert), Z+Photon, Photon+Jet, Photon+Photon (reduzibel) und Drell-Yan (irreduzibel). Event Selection am Beispiel Z‘→ e + +e - : Untergrund mit Elektronenpaaren, die hohen Transversalimpuls besitzen ist gering. Daher wird hier nach Signalereignissen gesucht: - Ein Elektron und ein Positron mit einer Pseudorapidität |η|<2,5. (η=-ln(tan(θ/2)) ≈ Winkel zur Senkrechten der Strahlachse). - 2 Cluster mit einem Track im inneren Detektor rekonstruiert: nötig zur Elektronidentifikation. - mindestens ein Elektron mit Transversalimpuls p T >65GeV. - Trigger e55: Elektron mit p T ≥60GeV. - entgegengesetzte Ladungen. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 9 14.1.2009

10 2. Dileptonresonanzen Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 10 14.1.2009 ← Wirkungs- querschnitte in fb. Ereignis- fenster von 4Γ Z‘ ↑ Hintergrund- Prozesse vor und nach Eventselection

11 2. Dileptonresonanzen Bestimmung des Entdeckungspotentials - Es werden Pseudoexperimente(m,L) mit verschiedenen Parametern durchgeführt. - Dann wird die Signifikanz(m,L) des simulierten Signals mittels Shape Analasys bestimmt - Aus den erhaltenen Daten kann eine 5σ-Entdeckungskurve bestimmt werden Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 11 14.1.2009 Massenspektrum für ein 1TeV Z‘ Teilchen

12 2. Dileptonresonanzen Fazit: - Bereits mit einer Luminosität von 10fb -1 kann ein Z‘ Teilchen mit einer Masse von bis zu 3TeV entdeckt werden, wenn man nur den Zerfallskanal Z‘→e + +e - berücksichtigt. - Die genaue Entdeckungsgrenze hängt dabei vom jeweiligen Modell ab Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 12 14.1.2009 5σ-Entdeckungskurve für Z‘  e + +e -

13 2. Dileptonresonanzen Analog kann auch der Kanal Z‘→μ + + μ - untersucht werden. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 13 14.1.2009 -Systematische Unsicherheiten (Myonspektrometermisaligne- ment) verlangen eine höhere Luminosität - Der Myonzerfallskanal ist ebenfalls zur Suche nach Z‘- Teilchen geeignet - Untergrund und Event Selection relativ ähnlich zum Elektronenkanal Signifikanzkurve Z‘(1TeV)  μ + +μ -

14 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 14 14.1.2009 2. Dileptonresonanzen Z‘  τ + + τ - - Es gibt Modelle in denen das Z‘ bevorzugt an die dritte Generation koppelt - kann auch untersucht werden. Jedoch werden hier neue Konzepte (fehlende Transversalenergie) benötigt, da das Tau-Lepton nicht direkt nachweisbar ist. Deshalb gehe ich hier nicht näher darauf ein, aber die Konzepte werden wir in einem anderen Zusammenhang im nächsten Kapitel kennenlernen.

15 2. Dileptonresonanzen - Randall Sundrum Graviton Andere Beispiele für Dileptonresonanzen: Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 15 14.1.2009 - Entdeckungspotential abhängig von Kopplungskonstante k - Technicolormesonen

16 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Theoretische Modelle: - Viele Theorien sagen Existenz zusätzlicher geladener Eichbosonen voraus, analog zum Z‘ (GUTs, LRSM, Kaluza Klein, Little Higgs,…). Signatur: - Beim Zerfall des W‘ -Bosons ist nur das geladene Lepton im Detektor nachweisbar, jedoch nicht das Neutrino. - Die Signatur für ein W‘ ist demnach also ein hochenergetisches geladenes Lepton mit fehlender Transversalenergie. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 16 14.1.2009 Feynmandiagramm zu W‘ Im Detektor erkennbares Signal

17 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Fehlende Transversalenergie, transversale Masse - Der Transversalimpuls des Systems muss sich zu null addieren. In guter Näherung gilt E=pc und man kann anstatt des Transversalimpulses die transversale Energie, die sich ebenfalls zu null addieren muss, messen: - Die fehlende Transversalenergie kann so bestimmt werden und daraus die transversale Masse rekonstruiert werden: Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 17 14.1.2009

18 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Beispiele für Transversalemassenspektren M W‘ =1Tev im Elektron und Myonkanal - Im transversalen Massenspektrum ist dann die Masse des Teilchens erkennbar am „Knick“ im Peak. - Wichtig ist eine gute Impulsauflösung des geladenen Leptons, damit die fehlende Transversalenergie möglichst genau bestimmt werden kann Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 18 14.1.2009

19 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Untergrund: - Untergründe sind also Dijets, tt-Produktion (reduzibel) und der hochenergetische Schwanz der W-Bosonproduktion (irreduzibel) - Im reduziblen Untergrund gibt es eine hohe Jetaktivität. p  p Hochenergetischer Schwanz des W-Bosons tt-Produktion Bevorzugter Zerfall: t  b+W + t  b+W - Dijets (sehr groß): Jet+Jet+X Ähnliche Signatur zu W‘ irreduzibel reduzibel Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 19 14.1.2009 Jets können ein Elektron und ein Neutrino erzeugen reduzibel

20 Event Selection Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 20 14.1.2009 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Preselection: Ein rekonstruiertes Lepton mit p T >50GeV innerhalb von |η| 50GeV Lepton Isolation: Nur Ereignisse ohne hochenergetische Tracks um die Lepton Trajektorie werden akzeptiert: Lepton Fraction: Anteil der Energie, die den Leptonen zugewiesen werden kann oberhalb eines Schwellenwertes Jet Veto and Multiplicity Requirements: Keine Annahme von Ereignissen mit hoher Jet-Beteiligung Immer noch zu hoher Anteil des reduziblen Untergrunds: tt-Produktion und Dijets Transverse Mass Requirement: m T > Schwellenwert Weg 1Weg 2

21 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Event Selection im Elektronkanal mit Leptonisolation und Leptonfraction (Weg 1) Event Selection im Elektronenkanal mit Jet Veto and Multiplicity Requirements (Weg2) Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 21 14.1.2009

22 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Pseudexperimente ergeben z.B.folgende Signale Luminosität: 10pb -1 Luminosität: 100pb -1 ElektronenkanalMyonenkanal Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 22 14.1.2009

23 3. Lepton + fehlende Transversalenergie Mittels Simulationen wird das Entdeckungspotential bestimmt. Fazit: - Mit einer integrierten Luminosität von einigen fb -1 ist es möglich W‘- Bosonen mit Massen von bis zu 4TeV zu entdecken. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 23 14.1.2009

24 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Theoretisches Modell der Leptoquarks: Leptoquarks sind hypothetische Bosonen, die sowohl Leptonen- als auch Quark-Quantenzahlen tragen und gebrochenzahlige Ladung besitzen. Einteilung in Generationen. → Ein Zerfall in ein Lepton und ein Quark ist möglich. Feynmandiagramme zur Produktion und Zerfällen von Leptoquarks Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 24 14.1.2009

25 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Signatur: - Im folgenden wird nur der Zerfall in Elektronen und Myonen untersucht. Das Zerfallsverzweigungsverhältnis zu geladenen Leptonen und Neutrinos wird als β bezeichnet. - Die Signatur sind zwei entgegengesetzt geladene Leptonen der gleichen Generation und zwei Jets. Rekonstruktion der Masse des Leptoquarks Die Lepton-Jet invariante Masse repräsentiert die Masse des Leptoquarks, falls die richtige Kombination gewählt wird. Es wird demnach die Kombination gewählt, die den kleineren Massenunterschied liefert. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 25 14.1.2009 Richtige Zuordnung liefert geringe Massendifferenz von gelb und grün Falsche Zuordnung liefert große Massendifferenz von gelb und grün

26 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Untergrund (reduzibel) - pp  Z/ γ *+jets: Z  l + +l - +Jets - tt-Produktion: tt  W + +W - +jets  l + +l - +Jets - Vektorbosonenpaare: WW, WZ, ZZ - Multijets: Jets missidentifiziert als Elektronen Event Selection - 2 Leptonen und 2 Jets mit p T >20GeV und |η|<2,5 für Leptonen bzw. |η|<4,5 für Jets - gleitender Massenfenster Algorithmus: Nur Ereignisse innerhalb einer Massenregion um die erwartete Resonanz werden angenommen. - Es wird erwartet, dass Signal- Leptonen und Jets größeren Transversalimpuls besitzen als Untergrund- Leptonen und Quarks.  Größe S T oberhalb eines Schwellenwertes. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 26 14.1.2009

27 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Ergebnis eines Pseudoexperiments Rekonstruierte Lepton-Jet invariante Masse (L=100pb -1 ) für ein Leptoquark der ersten Generation: Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 27 14.1.2009 Untergrund und Event Selection für Leptoquarks Vor Event SelectionNach Event Selection

28 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Entdeckungspotential ist nun abhängig von Luminosität, Masse der Leptoquarks und Zerfallsverzweigungsverhältnis β in geladene Leptonen und Neutrinos Festes β=1 → ↑ Feste Masse m=400GeV↑ Feste Luminosität L=100pb -1 Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 28 14.1.2009

29 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Theoretisches Modell der Majorana Neutrinos: Left-Right Symmetric Models postulieren die Existenz rechtshändiger W R -Bosonen und schwerer rechtshändiger Majorana Neutrinos N l. Folgerungen wären, dass die Leptonenzahl L und die Baryonenzahl B verlezt wären, aber B-L erhalten bliebe. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 29 14.1.2009 Feynmandiagramm zur Erzeugung und des Zerfalls des W R -Bosons und des Majorana Neutrinos

30 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Signatur sind wieder zwei Jets und zwei Leptonen Jedoch repräsentiert die invariante Masse der Jets und des einen Leptons die Masse des Majorana Neutrinos und die invariante Masse aller Zerfallsprodukte entspricht der Masse des W R -Bosons Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 30 14.1.2009 Massenzuordnung: Grün: W R -Boson Gelb: Majorana Neutrino

31 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Event Selection und Background - Untergrund ist der gleiche wie bei den Leptoquarks - Event Selection ist ebenfalls ähnlich Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 31 14.1.2009 Untergrund und Event Selection zu Majorana Neutrinos: - LRSM_18_3: m(WR)=1800GeV, m(N l )=300GeV - LRSM_15_5: m(WR 1500GeV, )=m(N l )=500GeV

32 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Signale (L=100pb -1 ): Invariantes Massenspektrum für Majorana Neutrino: m ejj Invariantes Massenspektrum für W R -Boson: m eejj Vor Event SelectionNach Event Selection Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 32 14.1.2009

33 4. Leptoquarks und Majorana Neutrinos Entdeckungspotential Majorana Neutrino:W R ‘-Boson Entdeckungspotential für Majorana Neutrinos abhängig vom Massenverhältnis von W R -Boson und Majorana Neutrino Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 33 14.1.2009

34 5. Zusammenfassung Bei der Überprüfung eines theoretischen Modells müssen zunächst die Signatur des Signals und der Untergrund sorgfältig untersucht werden. Außerdem ist es wichtig wie die Masse einer Resonanz rekonstruiert werden kann (invariante Masse, transversale Masse). Um eine hohe Signifikanz (5σ nötig) eines Signals zu erhalten ist eine Event Selection mit hoher Effizienz und einer hohen Unterdrückung notwendig. Das Entdeckungspotential hängt dann im Allgemeinen von verschiedenen Parametern des theoretischen Modells ab (z.B. Massen und Zerfallsverzweigungen) und von der Luminosität. Andreas Stegmeir: Suche nach exotischer Physik mit ATLAS 34 14.1.2009

35 5. Zusammenfassung Entdeckungspotential für verschiedene Modelle In der Anfangsphase des LHC: L≈100pb -1 - 1fb -1 : - Z‘ mit Massen bis zu 2TeV und Technicolormesonen mit Massen bis zu 600GeV in Dileptonresonanzen nachweisbar - W‘ mit Massen bis zu 2,5TeV nachweisbar - Leptoquarks mit Massen bis zu 800GeV nachweisbar falls β=1 Später Luminosität bis ca. L≈30fb -1 : - Z‘ mit Massen über 3TeV und Technicolormesonen mit Massen über 1TeV nachweisbar - W‘ mit Massen über 4TeV nachweisbar

36 ¿¿¿NOCH FRAGEN???