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

Übersicht Einführung in die Supersymmetrie LHC und die Experimente Suche nach Supersymmetrie Bestimmung von SUSY-Parametern Zusammenfassung C. - E. Wulz

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 L für Gültigkeit des Standardmodells: L < MPlanck ~ 1019 GeV (Gravitationseffekte werden signifikant) C. - E. Wulz

Stabilität der Higgsmasse Strahlungskorrekturen: mH2 -> mH2 + d2mH d2mH ~ L2 Bei Einbettung des Standardmodells in eine “Grand Unified Theory” (GUT) gilt: ~ O(mGUT) - O(mPlanck) mH sollte aber O(mZ) sein -> Korrekturen unnatürlich groß! C. - E. Wulz

Supersymmetrie 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. ~ Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m = m Jedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß Symmetrie gebrochen sein: m  m ~ C. - E. Wulz

Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten mGUT ~ 1016 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 1016 GeV. ~ C. - E. Wulz

Teilchenspektrum im MSSM 1/2 Charginos (j = 1,2) cj ± ~ aj W± +bj H2,1± Higgsbosonen h0, H0, A0, H± Neutralinos (k = 1,2,3,4) ck0 ~ akg +bk Z+ckH10+dkH20 1 Eichbosonen g, Z, W± Gluinos gl (l = 1,…,8) Gluonen Sleptonen (lL,nL) lR Leptonen Squarks (uL,dL) uR dR Quarks Spin Superpartner Teilchen ~ C. - E. Wulz

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 <F> ~ (1011 GeV)2 msoft ~ <F>/mPlanck MSSM hat 105 Parameter, mSUGRA nur 5 [m0, m1/2, A0, tanb, sgn(m)] -> experimentell “einfach” zu studieren! Typischerweise gilt: m(c1±) ~ m(c20) ~ 2m(c10) m(g) > m(q) > m(c) ~ C. - E. Wulz

Large Hadron Collider CMS ALICE SPS LHC ATLAS TOTEM C. - E. Wulz

Schranken von LEP und Tevatron mtop = 180 GeV/c2 m (l, c±) > 90-100 GeV LEP II m (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I m (c = LSP) > 47 GeV LEP II ~ Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von mtop und mh ab. C. - E. Wulz

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

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 -> c20 q g -> qq m m c10 m e n c10 c1± q C. - E. Wulz

Meff = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4 Inklusive Suche Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks Falls R-Parität R = (-1)2S+3B+L erhalten ist, findet man charakteristische Ereignisse durch Kaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlende Energie Typische Selektion: NJet > 4, ET > 100, 50, 50, 50 GeV, ETmiss > 100 GeV SUSY Standardmodell “Effektive Masse” Meff = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4 Beispiel: mSUGRA m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan b = 10, A0 = 0, m > 0 I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544 C. - E. Wulz

SUSY - Massenskala MSUSY = 663 GeV m0=100 GeV m1/2=300 GeV tanb=2 MSUSY = 663 GeV Scatterplot für verschiedene SUSY-Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs -o- SUSY-Signal tt W ln, tn Z nn, tt QCD jets _ Das Maximum der Massenverteilung von Meff 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: C. - E. Wulz

Squarks und Gluinos CMS ~ Massenlimits für q und g für verschiedene Luminositäten, selektiert mit Trigger ETmiss + Jets. ~ 1 Jahr bei 1034 cm-2s-1 1 Jahr bei 1033 cm-2s-1 1 Monat bei 1033 cm-2s-1 Die im 1. LHC-Jahr erreichbaren Massenlimits für Squarks und Gluinos sind mindestens 2 TeV (m0 < 2 TeV, m1/2 < 1 TeV) für alle tanb innerhalb von mSUGRA. CMS C. - E. Wulz

Bestimmung von SUSY - Parametern Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren C. - E. Wulz

Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss L. Rurua 1 CMS CMS C. - E. Wulz

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

Massenbestimmung für leichte Squarks CMS 1 fb-1 Squarks (“Punkt B”) m0 100 GeV m1/2 250 GeV tan b 10 A0 sign m + ~ ~ ~ ~ m(uL,cL,dL, sL ) ~ 540 GeV ~ m(g) = 595 GeV m(c10) = 96 GeV m(c20) = 175 GeV m(b1) = 496 GeV Annahme: m(c10) bereits bekannt. p(c20 ) aus Leptonen: CMS 1 fb-1 M. Chiorboli M(c20q) = (536±10) GeV ~ C. - E. Wulz

Massenbestimmung für Sbottom und Gluinos M. Chiorboli CMS 10 fb-1 CMS 10 fb-1 M(c20bb) = (594±7) GeV ~ - M(c20b) = (500±7) GeV ~ C. - E. Wulz

Zusammenfassung Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells. Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert. Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, um ein Signal zu finden. Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich. Analysestrategien werden laufend verbessert. SUSY C. - E. Wulz

Konferenz Physics at LHC http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04 Nächste Konferenz: Krakau, Juli 2006 (voraussichtlich) C. - E. Wulz