Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 10 Physik jenseits des Standardmodells Supersymmetrie Leptoquarks Extra Dimensions Extra schwere Eichbosonen WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Einleitung: Was fehlt im SM WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Ist das SM komplett? SM enorm erfolgreich (siehe Vorlesung 7) bisher noch keine einzige Messung, die grob mit dem SM in Widerspruch steht! Also können wir uns beruhigt zurücklehnen ? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Warum Physik jenseits des SM? Probleme im SM: Das SM hat viele freie Parameter Das Hierarchieproblem: Warum ist MPlanck(1019 GeV)>> MW/Z (100 GeV)? Schleifenkorrekturen zur Higgsmasse in der Größenordnung des Cutoff (Mgut = 1015 GeV) Beispiel: Fermion-Schleife: : UV Impuls-cutoff, um Schleifen-Integral zu regularisieren: Enegie-Skala bei der neue Physik das Hochenergieverhalten der Theorie ändert. Falls : Korrekturen zu mH2 Größenordnungen größer als mH2. Einbindung der Gravitation ? f H Erweiterungen des SM motiviert durch eine oder mehrere dieser Fragen. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Supersymmetrie Standard Model Superpartners Particle S Sparticle ½ 1 Fügt zu jedem SM Teilchen ein Superpartner hinzu, das sich nur im Spin und in der Masse unterscheidet. zusätzlich: 5 Higgs-Teilchen: h0, H0, A0, H± Einfachste SUSY Modelle: Mh <135 GeV WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Warum SUSY? Schleifenkorrekturen von Fermionen und Bosonen heben sich nahezu auf. (entgegengesetztes Vorzeichen). Verbleibende Korrekturen ~ M2SUSY. Massen der SUSY Teilchen sollten nicht allzu groß sein. Entdeckung an modernen Beschleunigern möglich. LHC! Verknüpfung von Teilchen mit unterschiedlichem Spin. Möglichkeit der Einbindung der Gravitation (Gravitons: Spin 2 Spin 3/2 Spin 1) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Warum SUSY II: Vereinheitlichung der WW ohne SUSY mit SUSY Elektroschw. WW Starke WW Beachte log Skala! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

SUSY-Modelle / Massen der SUSY Teilchen Standard SUSY: allgemeine MSSM (minimal supersymmetric model) freier Massenterm für jedes SUSY-Teilchen. Über 100 Parameter. Suche nur nach einzelnen Zerfällen möglich. Neutralino ist LSP (leichtestes supersymmetrisches Teilchen) mSUGRA oder GMSB: SUSY Massen werden durch Symmetriebrechung mittels Gravitation (mSUGRA) oder Eichbosonen (GMSB) erklärt. Extrapolation weniger Parameter an der GUT Skala. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS SUSY-Szenarien R-Parität: R=(-1)3(B-L)+2S. SUSY Teilchen haben R= -1, SM Teilchen +1. R-Parität erhalten SUSY Teilchen werden paarweise erzeugt, LSP stabil mSUGRA: Annahme: RP Erhalten Leichtestes SUSY Teilchen (LSP) ist stabil. 5 Parameter (m0,m1/2,A0, tanb, sgn(µ )) ( tan ß:Quotient Higgs VEV, µ: Higgs und Higgsino Masse Parameter) GMSB: Annahme: RP erhalten Ein (sehr leichtes) Gravitino G ist LSP. Phenomenologie hängt stark von den Eigenschaften und der Lebensdauer des zweitleichtesten Teilchens (NLSP) ab: Slepton, vorzugsweise ein stau: s1   G Neutralino:    G R-P verletzende Modelle: B oder L-Verletzung Proton-Zerfall: WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

SUSY Suchen am Tevatron: Trileptons Aus Chargino-Neutralino Produktion. goldener Kanal: Drei Leptonen, + fehlende Energie. Saubere Signatur, aber geringes s ( BR) Große integrierte Luminosität nötig. mSUGRA Untergrund: Leptonen von W, Z, b-Zerfällen fake Elektronen (von Jets) fehlende Energie durch falsch gemessene Jets eel Kanal 249 pb1 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

SUSY Suchen am Tevatron: Trileptons Verlange pT (3. Spur) > 5 GeV! eel, el und Dimuon Endzustand kombiniert: 3. Spur: nur geladene Spur verlangtbessere Effizienz! Limit wesentlich verbessert Bald Vorstoß in interessante mSUGRA Bereiche möglich! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Ein Trilepton Ereignis WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Squarks und Gluino Suchen Paarproduktion durch starke WW sq-sqbar sq-sq sq-gl gl-gl 85pb1 Zerfall in Quarks bzw Gluon und LSP: sq  q  hochenergetische Jets und fehlende Energie Cuts: mindestens 2 jets mit großem pT Veto gegen isolierte Leptonen MET nicht parallel oder antiparallel zu Jet. Summe Jet pT  275 GeV MET  175 GeV Untergrund (Z  ) + jets (W ) + jets 4 Ereignisse selektiert, 3 erwartet WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Squarks und Gluino Suchen II Interpretation möglich mit zusätzlichen Annahmen Suche entlang der “minimum sq-mass line” von mSUGRA: Sehr niedriges m0 (25 GeV), (tan = 3, A0 = 0,   0), Scan über m1/2 Limit: msq  292 GeV and mgl  333 GeV Note: Massenlimit für squarks und Gluinos nach einem Jahr LHC 2TeV! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS GMSB am Tevatron Suche nach zwei Photonen und fehlendem ET Wenn das zweitleichteste Teilchen ein Photino ist, Zerfällt es in Photon und Gravitino. 10gG ~ Interpretation in mGMSB Signal hauptsächlich Chargino- Neutralino Produktion Weltbestes Limit: m  105 GeV Photon ET  13 / 20 GeV (CDF/DØ) MET > 45 / 40 GeV CDF : 0 vs 0.6 erwartet DØ : 1 vs 2.5 erwartet Untergrund: EM-Jets (oder QCD g’s) + fake MET e + g + wahre MET WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Charged Higgs WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

SUSY Higgs SUSY: 2 Higgs Doubletts No-Loose Theorem: Es gibt immer ein leichtes Higgs Hbb  Verlange 3 Jets mit b-Tag Invariante Masse der 2 Hochenergetischsten Jets Massen-Limit als Funktion von tan ß tan ß: Quotient der VEV der zwei komplexen Higgs Doublett Felder mA: CP-ungerades neutrales Higgs WS 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Leptoquarks WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Leptoquarks LQs in vielen Erweiterungen des SM: Erweiterte Eichstruktur, Compositeness, Technicolor… Verbindung von Lepton & Quark Sektors Tragen L und B, fraktionelle. em. Ladung e e  (unbekannte) Yukawa Kopplung Lepton-quark-LQ jj channel at Tevatron ej channel at HERA ZEUS, PRD68 052004 (2003) CDF Run II Prelim., 191 pb-1 ZEUS e+p 94-00 Suche nach resonantem Peak in M.  weniger Untergrund Untergrund groß, aber gut verstanden WS 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Leptoquarks II e Run II bounds 1 238 D0 232 CDF (LP’03) 0.5 145 D0 (eejj) 197 D0 (ejj) 117 CDF  = BR (LQ  eq) D0 Run II + Run I : M > 253 GeV for =1 e = BR( LQ  eq ) CDF II Prelim, 198 pb-1 MLQ (GeV) 2nd gene,  = 1 LQ der 2. und 3. Generation. Sensitivität für LQ  j vergleichbar mit LQ  ej. M(LQ2) > 241 GeV Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS E. Perez

Große Extra Dimensionen WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Große Extra Dimensionen String Theorie verlangt 10 anstatt der sonst üblichen 4 Dimensionen Die extra Dimensionen (ED) sind kompaktifiziert (Ausdehnung ~ Planck-Länge) Falls ED größer: Modifikation der Gravitation bei kleinen Abständen Newtons Gesetz Annahme: Nur Gravitation bewegt sich in ED. Kompakte Dimensionen: Periodische Randbedingungen Angeregte Zustände des GravitonsKaluza-Klein Moden WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Extra Dimensionen: Topologien KK q _ ee, mm, gg KK e jet p Tevatron Austausch virtueller Gravitons Hera G jet(s) + MET g + MET Emission reeller Gravitons q q _ g(jet),g Tevatron WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Suche nach LED am Tevatron Beispiel: Austausch virtueller Gravitonen Leptonpaare mit großer invarianter Masse. Analyse von di-Elektronen und di-Photonen. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Große Extra Dimensionen II Zwei-dimensionaler binned likelihood fit M2EM and cos q Weltbestes unteres Limit für fundamentale Planck-Skala 1.43 TeV (kombiniert mit Run 1 Daten) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Suche nach neuen Resonanzen : Dileptonen Neue schwere Eichbosonen Z ’ z.B. in L-R Modellen oder E6 GUT, Little Higgs Z’… (Color-Singlet) Technirho in Technicolor Modellen (starke Dynamik als Alternative zum Higgs Mechanismus) D0 & CDF haben nach ee &  Resonanzen gesucht. . 200 pb-1 Z’ Bounds D0 Run II Prelim. 95% CL SM couplings E6,  E6,  E6,  780 GeV ee WS 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Zusammenfassung Probleme im SM: Viele freie Parameter, fine-Tuning, Hierarchie-Problem Viele erfolgversprechende Erweiterungen des SM SUSY favorisiert, kommt in vielen „Flavors“ mSUGRA und GMSB beliebt, wenige Parameter Große Extra Dimensionen, Leptoquarks, extra Eichbosonen, ... Der LHC hat großes Entdeckungspotential (besonders für SUSY) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS