Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010Teil 4 Physik am LHC und erste Resultate Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik.

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1 Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010Teil 4 Physik am LHC und erste Resultate Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften

2 Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz2 Offene fundamentale Fragen Supersymmetrie SUSY Higgsteilchen Inhalt Teil 4

3 Ma. Laach, Sep. 2010 ATLAS public physics results: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/AtlasResults CMS public physics results: 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: supersymmetry DeMYSTiFieD, McGrawHill (2010) Literatur C.-E. Wulz3

4 Ma. Laach, Sep. 2010 Das Standardmodell wurde bis O(100 GeV) eindrucksvoll experimentell bestätigt. 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 UV (ultraviolet cutoff) für Gültigkeit des Standardmodells: UV < M Planck (Gravitationseffekte werden bei der Planckmasse signifikant) Gültigkeit des Standardmodells C.-E. Wulz4

5 Ma. Laach, Sep. 2010 Strahlungskorrekturen (Loop-Korrekturen): m H 2 -> m H 2 + m H 2 m H 2 ~ UV 2 m H sollte aber von der Ordnung der elektroschwachen Skala sein (v = 246 GeV) -> Korrekturen unnatürlich groß! Stabilität der Higgsmasse f S S f S f, S … Kopplungen des Fermions bzw. des Skalars an das Skalar(Higgs)feld C.-E. Wulz5 S

6 Ma. Laach, Sep. 2010 Supersymmetrie Wenn die Kopplungen f = S = sind, löschen die gefährlichen quadratischen Terme einander. Der logarithmisch divergierende Term verbleibt klein, wenn m nicht zu groß, also der Ordnung O(1 TeV), ist: Eigenschaften der supersymmetrischen Theorie Verdoppelung des Teilchenspektrums Gleichheit der fermionischen und bosonischen Kopplungskonstanten C.-E. Wulz6

7 Ma. Laach, Sep. 2010 Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m m Jedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß Symmetrie gebrochen sein: m m ~ ~ Zu jedem Fermion des Standardmodells gibt es einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. SUSY Supersymmetrie SUSY-Transformation (Q, Q … SUSY-Generatoren, komplexe Weyl-Spinoren): _ Q |Fermion > = Boson, Q |Boson > = Fermion C.-E. Wulz7

8 Ma. Laach, Sep. 2010 SUSY-Algebra Die SUSY-Algebra enthält die Generatoren Q sowie die Poincaré-Algebra mit folgenden Kommutationsregeln (P … 4er-Impulsoperator, M … Generator der Lorentztransformation): Aus letzter Relation wird ersichtlich, dass zwei SUSY-Transformationen hintereinander ausgeführt zu einer Translation in der Raum-Zeit führen oder dass das Quadrat des SUSY-Generators Q der 4-er Impuls ist. Somit ist ein Zusammenhang zwischen SUSY und der allgemeinen Relativitätstheorie zu erwarten! Aus der Eichinvarianz unter Raum-Zeit-Translationen folgt die Theorie der Gravitation, d.h. SUSY beinhaltet die Gravitation. Sie ist in der Supergravitation (SUGRA) mit eingebaut. C.-E. Wulz8

9 Ma. Laach, Sep. 2010 Supermultipletts Man ordnet die bekannten Fermionen und Eichbosonen in Supermultipletts zusammen mit ihren SUSY-Partnern ein. Chirales Supermultiplett Es gibt 2 komplexe Higgsdubletts -> 8 Freiheitsgrade. 8-3 (Goldstonebosonen) -> 5 Higgsbosonen. Das SM Higgs ist eine Linearkombination aus H u und H d. C.-E. Wulz9

10 Ma. Laach, Sep. 2010 Supermultipletts Eich-Supermultiplett Gravitations-Supermultiplett W 0, B 0 mischen zu Z 0 und. Die analoge Gauginomischung ergibt die Eigenzustände Zino (Z) und Photino ( ). ~ ~ C.-E. Wulz10

11 Ma. Laach, Sep. 2010 1/2 Charginos (j = 1,2) j ± ~ j W ± + j H u, d ± 0 Higgsbosonen h 0, H 0, A 0, H ± 1/2 Neutralinos (k 1,2,3,4) k 0 ~ a k W 0 +b k B 0 +c k H d 0 +d k H u 0 1 Eichbosonen, Z, W ± 1/2 Gluinos g ( 1,…,8) 1 Gluonen g ( 1,…,8) 0 Sleptonen (x3 Fam.) (l L, L ) l R 1/2 Leptonen (x3 Familien) (l L, L ) l R 0 Squarks (x3 Familien) (u L,d L ) u R d R 1/2 Quarks (x3 Familien) (u L,d L ) u R d R SpinSuperpartnerSpinTeilchen ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ Teilchenspektrum im MSSM C.-E. Wulz11 ~

12 Ma. Laach, Sep. 2010 Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint. In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden Theorie (Grand Unified Theory, GUT) eintritt, muß groß genug sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell gemessenen Wert kompatibel ist. Die Kopplungskonstanten laufen" in Quantenfeldtheorien aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch Fluktuationen von Photonen in e + e - -Paare bis zu einer Distanz von e ~ 1/m e abgeschimt. Daher steigt em mit steigender Masse: em (0) = 1/137, em (m Z ) = 1/128. Supersymmetrische Vereinigung C.-E. Wulz12

13 Ma. Laach, Sep. 2010 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 10 16 GeV. ~ M GUT ~ 10 16 GeV Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten C.-E. Wulz13

14 Ma. Laach, Sep. 2010 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( ) ~ ~~ ~ ~ ~ mSUGRA-Modell C.-E. Wulz14

15 Ma. Laach, Sep. 2010 Massen C.-E. Wulz15 Parameterpunkt SU3: m 0 =100 GeV, m 1/2 =300 GeV, A 0 = -300 GeV tan =6, >0 Beispiel für ein mSUGRA-MassenspektrumMassenvereinheitlichung m 0 … skalare Masse bei der GUT-Skala m 1/2 … Gauginomasse bei der GUT-Skala GUT-Masse Elektroschwache Skala

16 Ma. Laach, Sep. 2010 m (l, ) > 62-116 GeV m (q,g) > 89-379 GeV m ( = LSP) > 46 GeV ~ ~ ~ ~~ Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von m top und m h ab. Schranken von LEP und Tevatron CDF C.-E. Wulz16 Ma. Laach, Sep. 2010

17 Suche nach Abweichungen vom Standardmodell leicht! Messung der SUSY Massenskala M SUSY leicht! Messung der Modellparameter (z.B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) schwierig! SUSY-Suchstrategie C.-E. Wulz17

18 Ma. Laach, Sep. 2010 Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen, die zu Endzuständen mit Leptonen, Jets und fehlender Energie führen. Typische Suchkanäle: hadronische (Jets + E T miss), leptonische (Leptonenpaare gleicher/ungleicher Ladung, mehrere Leptonen, sowie Jets und/oder E T miss ). ~ ~ Beispiel eines qg Ereignisses: q -> 2 0 q g -> qq 1 0 ~ ~ ~ e ~ ~ ~ ~ ~ 1 ± q SUSY-Kaskaden C.-E. Wulz18

19 Ma. Laach, Sep. 2010 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 TJe3 + E TJet4 SUSY Standardmodell I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544 Inklusive Suche C.-E. Wulz19

20 Ma. Laach, Sep. 2010 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: M SUSY = 663 GeV -o- SUSY-Signal tt W l, Z, QCD jets _ __ SUSY-Massenskala C.-E. Wulz20 Scatterplot für verschiedene SUSY- Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs Parameterpunkt SU3: m 0 =100 GeV m 1/2 =300 GeV A 0 = -300 GeV tan =6 >0

21 Ma. Laach, Sep. 2010 CMS mSUGRA Entdeckungspotential C.-E. Wulz21 mSUGRA-Sensitivität mit rein hadronischer Signatur Hohe Effizienz, aber auch hoher Untergrund (QCD, Z+Jets, W+Jets). Hängt nur schwach von tan ab. mSUGRA-Sensitivität mit isolierten Leptonen gleicher Ladung Untergrund relativ klein (tt, falsch identifizierte Ladungen aus W etc.) CMS Note 2010/008

22 Ma. Laach, Sep. 2010 CMS mSUGRA Entdeckungspotential C.-E. Wulz22 Multijet + E T miss Signatur Andere SUSY Signaturen, z.B. Leptonen, b-jets, s Ma. Laach, Sep. 2010 Erreichbare Squark- und Gluinomassen 1 fb -1 M ~ 1500 GeV 10 fb -1 M ~ 1900 GeV 100 fb -1 M ~ 2500 GeV

23 Ma. Laach, Sep. 2010 Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren Bestimmung von SUSY-Parametern C.-E. Wulz23

24 Ma. Laach, Sep. 2010 Trigger: Leptonen, keine Jets, E T miss 1 CMS Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen C.-E. Wulz24

25 Ma. Laach, Sep. 2010 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 %) Beispiel: Sbottom-Erzeugung (leichte Squarks analog) Rekonstruktion von SUSY-Teilchen C.-E. Wulz25 p p b b

26 Ma. Laach, Sep. 2010 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 Massenbestimmung von leichten Squarks C.-E. Wulz26

27 Ma. Laach, Sep. 2010 M( 2 0 b) = (500±7) GeV ~ M( 2 0 bb) = (594±7) GeV ~ - CMS 10 fb -1 Massenbestimmung von Sbottoms und Gluinos C.-E. Wulz27

28 Ma. Laach, Sep. 2010 SUSY-Higgssektor C.-E. Wulz28 Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt es 5 Higgsbosonen: h 0, H 0, A 0 und H ±. Die Suche nach ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell. MSSM Higgsteilchen können aber auch in SUSY-Teilchen zerfallen, fall kinematisch erlaubt, unter Produktion von Kaskadenerfällen. Sogar unsichtbare Higgszerfälle sind möglich, z.B. in Neutralinos oder Gravitinos.

29 Ma. Laach, Sep. 2010 Neutrale Higgsteilchen im MSSM C.-E. Wulz29 Assoziierte Produktion mit b-Quarks dominant bei hohem tan Direkte Produktion Standardmodellähnliche Endzustände, aus VBF qq h/H + - und direkter Produktion mit h h/H/A + - 2l + 4 l h + 3 h + 2 h/H/A + - PRODUKTION ZERFALL h/H/A + - bb Dominant bei großem tan aber großer Untergrund h/H/A + - Großes Verzweigungsverhältnis, klarer Endzustand h/H/A + - Sehr kleines Verzweigungsverhältnis, klarer Endzustand, gute Massenauflösung TYPISCHE ENDZUSTÄNDE

30 Ma. Laach, Sep. 2010 Entdeckungspotential für h, H, A C.-E. Wulz30

31 Ma. Laach, Sep. 2010 Geladene Higgsteilchen im MSSM C.-E. Wulz31 Untersuchte Endzustände: tH + bqq h tbH + bqq b h Rekonstruktion des Tops essentiell! Ma. Laach, Sep. 2010 Untersuchte Endzustände: bH + bW b h(l) b qq b h b l Schweres H ± (m H± > m t ) Leichtes H ± (m H± < m t ) M T > 100 GeV

32 Ma. Laach, Sep. 2010 H ± Entdeckungspotential C.-E. Wulz32 5 Konturen bei 1, 10 und 30 fb 2009 D0 m h max

33 Zusätzliche Dimensionen Unser bekanntes Universum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension Stringtheorie: mindestens 6 zusätzliche Dimensionen Seiltänzer: 1 Dimension Ameise: 2 Dimensionen (2. Dimension aufgerollt) Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz33 Gravitation scheint 10 -38 mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften! Mögliche Lösung dieses Hierarchieproblems durch Extradimensionen.

34 Modelle mit Extradimensionen Extra-Dimension Gravitation unser 3+1-dimensionales Universum Gravitation Es gibt verschiedene Modelle, die folgende Gemeinsamkeiten haben: Wir leben im 3+1-dimensionalen (Unter)raum (Brane, Membran) Die Brane ist eingebettet in einen 3+1+d dimensionalen Raum (Bulk) Die d Extradimensionen haben die gleiche Größe R Alle Teilchen und Felder, die im Bulk leben, sind in Kaluza-Klein-Türmen repliziert. O. Klein 1926: Extradimensionen sind aufgerollt, d.h. ein Teilchen, das sich entlang dieser Dimensionen bewegt, kommt wieder an den Ausgangsort zurück. Es bilden sich stehende Wellen. Unterschiede der verschiedenen Modelle: Größe und Geometrie des Bulk Teilchenarten, die sich im Bulk ausbreiten dürfen Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz34

35 ADD-Modell – große Extradimensionen Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz35 Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, arXiv:hep-ph/9803315v1 Nicht mehr die effektive 4-dim. Planckskala, sondern die Quantengravitätsskala der höherdimensionalen Theorie M D ist relevant. Die einzige fundamentale Skala soll die elektroschwache Skala M EW M D 1 TeV sein! Bekannte Teilchen leben in der 3+1- dimensionalen Brane Graviton kann sich auch im Bulk bewegen Es gibt d2 Extradimensionen Extradimensionen sind aufgerollt in Torus mit Kompaktifikationsradius R d = 2: R 1 mm, d = 3: R 1 nm Newton-Gravitationsgesetz bis ca. 0.1 mm getestet. Das Graviton entspricht einem KK- Turm mit 3+1-Massenspektrum M l = l/R (l = 0,1,2, …).

36 Graviton-Suche am LHC Gravitonen können sich ungehindert auch in den Extra-Dimensionen ausbreiten. Rückstoßprodukte Graviton Signal in den Detektoren: fehlende Energie! Diese kann aber auch von Neutrinos oder Neutralinos stammen, deshalb sind Modellberechnungen nötig. Mit der Energie des LHC sollte es möglich sein, WW von Teilchen in unserer Brane bei Abständen von ca. 10 -15 m (Protondurchmesser) zu untersuchen. Diese Distanzen liegen vielleicht in der gleichen Größenordnung wie die Radien der aufgerollten Dimensionen. Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz36

37 Randall-Sundrum Modell (Warped Extra Dimensions) Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz37 Randall, Sundrum, PRL 83 (1999) 3370 5D-Modell mit Metrik: Davoudiasl, Hewett Rizzo, PRD63, 075004 4D … Gravitonfeld

38 Schwarze Löcher Definition: Objekt, dessen Gravitation so stark ist, dass selbst Licht nicht nach außen gelangen kann. Ab dem Ereignishorizont ist die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit. Der Schwarzschildradius definiert die Größe eines schwarzen Lochs (M SL > M P ): Wenn die Gravitation bei kleinen Distanzen durch Extradimensionen groß wird (M P -> M D ), könnte der LHC auch mikroskopische Schwarze Löcher (Ø 10 -18 m) produzieren. Die kollidierenden Partonen müssten sich auf Distanzen kleiner als 2 R S annähern. Die schwarzen Löcher sollten jedoch sehr schnell (~10 -26 s) durch Hawking-Strahlung verdampfen (T H ~1/M SL ), unter Erzeugung aller möglichen Standard-modellteilchen. Signatur am LHC: viele Jets und Leptonen mit hohem p T. Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz38

39 Schwarze Löcher bei ATLAS Ma. Laach, Sep. 2010 C.-E. Wulz39

40 BACKUP 40

41 Ma. Laach, Sep. 2010 5 - Konturen SUSY-Higgse in ATLAS C.-E. Wulz41

42 Ma. Laach, Sep. 2010 Produktion geladener MSSM Higgse C.-E. Wulz42