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05.02.2007Suche nach Supersymmetrie am LHC Christoph Adolph Betreuer: Prof. Dr. U. Katz Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007 05.02.2007.

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1 Suche nach Supersymmetrie am LHC Christoph Adolph Betreuer: Prof. Dr. U. Katz Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/

2 Suche nach Supersymmetrie am LHC 1 Inhalt Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus / Was ist Supersymmetrie? LHC,CMS und ATLAS Suche nach Supersymmetrie am LHC

3 Suche nach Supersymmetrie am LHC 2 Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus keine Gravitation keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt keine Lösung des Hierarchieproblems

4 Suche nach Supersymmetrie am LHC 3 Mögliche Lösung: Supersymmetrie Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mit Spinunterschied ½. StandardmodellSupersymmetrie

5 Suche nach Supersymmetrie am LHC 4 Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Größenordnung der SUSY- Brechung bei sichtbar am LHC

6 Suche nach Supersymmetrie am LHC 5 R-Parität Allgemeines Superpotential kann Terme mit Baryonen- bzw. Leptonenzahlverletzung enthalten Abhilfe: R-Parität SM-Teilchen: R= +1 SUSY-Teilchen: R= -1 multiplikative Quantenzahl in vielen SUSY-Modellen erhalten

7 Suche nach Supersymmetrie am LHC 6 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 0 1 (leichtestes Neutralino) guter Kandidat für kalte dunkle Materie verhält sich wie entkommt Detektor E T miss typische SUSY Signatur

8 Suche nach Supersymmetrie am LHC 7 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

9 Suche nach Supersymmetrie am LHC 8 SUSY-Brechung noch keine SUSY-Teilchen beobachtet m SUSY > m SM 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!

10 Suche nach Supersymmetrie am LHC 9 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

11 Suche nach Supersymmetrie am LHC 10 Das mSUGRA Modell Vereinfachung des MSSM auf 5 freie Parameter: –m 1/2 universelle Masse der Gauginos –m 0 universelle skalare Masse –A0 universelle Kopplung –tanVerhältnis der Vakuumserwartungswerte der Higgsfelder –sgn(µ)Vorzeichen des Higgsino-Mischungsparameter Verbindung mit allgemeiner Relativitätstheorie Vorteil: überschaubarer Parameterraum häufig benutztes Modell

12 Suche nach Supersymmetrie am LHC 11 Der Parameterraum SUSY-Massen hauptsächlich durch m 1/2 und m 0 festgelegt tan und sgn(µ) betreffen den Higgs-Sektor meistens A 0 =0 Betrachtung der m 1/2 -m 0 -Ebene für einige tan und sgn(µ)

13 Suche nach Supersymmetrie am LHC 12 Erlaubte Bereiche in der m 1/2 -m 0 -Ebene für verschiedene Einschränkungen tan =35 tan =50

14 Suche nach Supersymmetrie am LHC 13 Unter Einbeziehung der verschiedenen Annihilationskanäle und den Einschränkungen aus WMAP-Datenanalysen, lässt sich der Parameterraum in mSugra-Modellen in fünf ver- schiedene Regionen unterteilen: 1. Bulk-Region: 2. focus-point-Region: oder 3. A-Resonanz-Region: 4. h-Resonanz-Region: Stark von top-Quarkmasse abhängig 5. Stau-Koannihilationsregion: mSugra + WMAP z.B.

15 Suche nach Supersymmetrie am LHC 14 Schranken von LEP und Tevatron Squarks, Sleptonen und Gluinos schwerer als Charginos und Neutralinos Derzeitige Massenlimits: m (l, ) > GeV LEP II m (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I m ( = LSP) > 47 GeV LEP II ~ ~~

16 Suche nach Supersymmetrie am LHC 15 Der LHC LHC SPS CMS TOTEM ATLAS ALICE

17 Suche nach Supersymmetrie am LHC 16 Technische Daten Proton-Proton Ringbeschleuniger 2835x2835 Bunches mit Protonen/Bunch Crossing Rate 40 MHz ~ Kollisionen/s 14 TeV Schwerpunktenergie 27 km Tunnelumfang ca m unter der Erde m lange, supraleitende Magnete (8,33T) finale Luminosität L= cm -2 s -1 (vgl. TEVATRON L ~10 31 cm -2 s -1 )

18 Suche nach Supersymmetrie am LHC 17 CMS

19 Suche nach Supersymmetrie am LHC 18 CMS - Aufbau

20 Suche nach Supersymmetrie am LHC 19 ATLAS Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t

21 Suche nach Supersymmetrie am LHC 20 Suchstrategie 1.Suche nach Abweichung vom Standardmodell, z.B. E T miss und Identifikation als SUSY 2.Bestimmung der SUSY Massenskala z.B. effektive Massenverteilung 3.Bestimmung der Modellparameter Strategie: Selektion spezieller Zerfallsketten, Suche nach kinematischen Endpunkten, um Massen- kombinationen zu bestimmen (schwierig!)

22 Suche nach Supersymmetrie am LHC 21 Suche nach Supersymmetrie am LHC Squarks und Gluinos werden über starke Wechsel- wirkung produziert Zerfall in Leptonen, Hadronenjets und LSPE T miss 2l + 6j + E T miss 2l j + E T miss

23 Suche nach Supersymmetrie am LHC 22 Suche nach Abweichungen vom Standardmodell Kaskadenzerfälle in das LSP: Suche nach mehreren Jets und fehlender transversaler Energie Typische Selektion: N jet > 4 E T > 100, 50, 50, 50 GeV E T miss > 100 GeV Bestimmung der effektiven Masse M eff = E T miss + E TJet1 + E TJet2 + E TJet3 + E TJet4

24 Suche nach Supersymmetrie am LHC 23 m 0 = 100 GeV, m 1/2 = 300 GeV tan = 10, A 0 = 0, > 0 Erwartete Ergebnisse SM SUSY 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 gefunden werden

25 Suche nach Supersymmetrie am LHC 24 Erwartete Ergebnisse Multijet + E T miss Signatur andere SUSY Signaturen, z.B. Leptonen, b-jets, s

26 Suche nach Supersymmetrie am LHC 25 Bestimmung der SUSY Modellparameter Unsichtbares LSP, daher keine vollständige Massen- rekonstruktion möglich Einfachster Fall M M( 0 2 ) - M( 0 1 ) (signifikanter Zerfall, wenn keine Z 1 h Zerfälle auftreten) Auswahl: 2 isolierte Leptonen, Jets und große E T miss

27 Suche nach Supersymmetrie am LHC 26 Bestimmung der SUSY Modellparameter Kante im Dilepton-Spektrum Hinweis auf Produktion von 0 2 Hinweis auf SUSY Durch Anwendung geeigneter Cuts (z.B. E T miss >150GeV) geringer SM-Untergrund Entdeckung möglich ab L int = 10fb -1

28 Suche nach Supersymmetrie am LHC h, h Unterdrückung des SM-Hintergrundes durch geeigneten Cut bei E T miss

29 Suche nach Supersymmetrie am LHC 28 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).

30 Suche nach Supersymmetrie am LHC 29 Literatur A.V.Gladyshev, D.I.Kazakov: Supersymmetry and LHC [hep-ph/ ] CERN Summer Student Lectures &nbweeks=7 John Ellis: Beyond the Standard Model for Hillwalkers [hep-ph/ ] Discovery potential for supersymmetry in CMS [hep-ph/ ]


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