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

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

2 ÖPG, Sep C. - E. Wulz2 Übersicht Einführung in die Supersymmetrie LHC und die Experimente Suche nach Supersymmetrie Bestimmung von SUSY-Parametern Zusammenfassung

3 ÖPG, Sep C. - E. Wulz3 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: < M Planck ~ GeV (Gravitationseffekte werden signifikant)

4 ÖPG, Sep C. - E. Wulz4 Stabilität der Higgsmasse Strahlungskorrekturen: m H 2 -> m H m H 2 m H ~ 2 Bei Einbettung des Standardmodells in eine Grand Unified Theory (GUT) gilt: ~ O(m GUT ) - O(m Planck ) m H sollte aber O(m Z ) sein -> Korrekturen unnatürlich groß!

5 ÖPG, Sep C. - E. Wulz5 Supersymmetrie Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m m Jedoch 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.

6 ÖPG, Sep C. - E. Wulz6 Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten m GUT ~ 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 GeV. ~

7 ÖPG, Sep C. - E. Wulz7 Teilchenspektrum im MSSM 1/2 Charginos (j 1,2) j ± ~ a j W ± +b j H 2,1 ± 0 Higgsbosonen h 0, H 0, A 0, H ± 1/2 Neutralinos (k 1,2,3,4) k 0 ~ a k +b k Z+c k H 1 0 +d k H Eichbosonen, Z, W ± 1/2 Gluinos g ( 1,…,8) 1 Gluonen g ( 1,…,8) 0 Sleptonen (l L, L ) l R 1/2 Leptonen (l L, L ) l R 0 Squarks (u L,d L ) u R d R 1/2 Quarks (u L,d L ) u R d R SpinSuperpartnerSpinTeilchen ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~

8 ÖPG, Sep C. - E. Wulz8 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 ~ (10 11 GeV) 2 m soft ~ /m Planck MSSM hat 105 Parameter, mSUGRA nur 5 [m 0, m 1/2, A 0, tan, sgn( )] -> experimentell einfach zu studieren! Typischerweise gilt: m( 1 ± ) ~ m( 2 0 ) ~ 2m( 1 0 ) m(g) > m(q) > m( ) ~~~ ~ ~ ~

9 ÖPG, Sep C. - E. Wulz9 Large Hadron Collider C.-E. Wulz LHC SPS CMS TOTEM ATLAS ALICE

10 ÖPG, Sep C. - E. Wulz10 Schranken von LEP und Tevatron m top = 180 GeV/c 2 m (l, ) > GeV LEP II m (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I m ( = LSP) > 47 GeV LEP II ~ ~ ~ ~~ Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von m top und m h ab.

11 ÖPG, Sep C. - E. Wulz11 SUSY- Suchstrategie Suche nach Abweichungen vom Standardmodell leicht! Messung der SUSY Massenskala M SUSY leicht! Messung der Modellparameter (z.B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) schwierig!

12 ÖPG, Sep C. - E. Wulz12 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 -> 2 0 q g -> qq 1 0 ~ ~ ~ e ~ ~ ~ ~ ~ 1 ± q

13 ÖPG, Sep C. - E. Wulz13 Inklusive Suche Beispiel: Beispiel: mSUGRA m 0 = 100 GeV, m 1/2 = 300 GeV tan = 10, A 0 = 0, > 0 Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks R = (-1) 2S+3B+L Falls R-Parität R = (-1) 2S+3B+L erhalten ist, findet man charakteristische Ereignisse durch Kaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlende Energie Typische Selektion: N Jet > 4, E T > 100, 50, 50, 50 GeV, E T miss > 100 GeV Effektive Masse M eff = E T miss + E TJet1 + E TJet2 + E TJet3 + E TJet4 SUSY Standardmodell I. Hinchliffe et al., hep-ph/

14 ÖPG, Sep C. - E. Wulz14 SUSY - Massenskala Das Maximum der Massenverteilung von M eff 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: Scatterplot für verschiedene SUSY- Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs m 0 =100 GeV m 1/2 =300 GeV tan =2 M SUSY = 663 GeV -o- SUSY-Signal tt W l, Z, QCD jets _ _ _

15 ÖPG, Sep C. - E. Wulz15 Squarks und Gluinos Massenlimits für q und g für verschiedene Luminositäten, selektiert mit Trigger E T miss + Jets. ~ ~ 1 Jahr bei cm -2 s -1 1 Jahr bei cm -2 s -1 1 Monat bei cm -2 s -1 Die im 1. LHC-Jahr erreichbaren Massenlimits für Squarks und Gluinos sind mindestens 2 TeV (m 0 < 2 TeV, m 1/2 < 1 TeV) für alle tan innerhalb von mSUGRA. CMS

16 ÖPG, Sep C. - E. Wulz16 Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren Bestimmung von SUSY - Parametern

17 ÖPG, Sep C. - E. Wulz17 Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen Trigger: Leptonen, keine Jets, E T miss 1 CMS L. Rurua

18 ÖPG, Sep C. - E. Wulz18 Rekonstruktion von SUSY-Teilchen Endzustand: 2 isolierte e / ( + /-) mit hohem p T 2 (b-) Jets mit hohem E T E T miss ~ ~ bb g pp (26 %) (35 %) (0.2 %) 0 1 ~ ~ (60 %) p p b b l Beispiel: Sbottom-Erzeugung (leichte Squarks analog)

19 ÖPG, Sep C. - E. Wulz19 Massenbestimmung für leichte Squarks Squarks (Punkt B) CMS 1 fb -1 + sign 0A0A0 10 tan 250 GeVm 1/2 100 GeVm0m0 ~ ~ ~ ~ CMS 1 fb -1 m(u L,c L,d L, s L ) ~ 540 GeV ~ ~ m(g) = 595 GeV m( 1 0 ) = 96 GeV m( 2 0 ) = 175 GeV m(b 1 ) = 496 GeV Annahme: m( 1 0 ) bereits bekannt. p( 2 0 ) aus Leptonen: ~ ~ ~ ~ M( 2 0 q) = (536±10) GeV ~ M. Chiorboli

20 ÖPG, Sep C. - E. Wulz20 Massenbestimmung für Sbottom und Gluinos M( 2 0 b) = (500±7) GeV ~ M( 2 0 bb) = (594±7) GeV ~ - CMS 10 fb -1 M. Chiorboli

21 ÖPG, Sep C. - E. Wulz21 Zusammenfassung 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

22 ÖPG, Sep C. - E. Wulz22 Konferenz Physics at LHC Nächste Konferenz: Krakau, Juli 2006 (voraussichtlich)


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