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

Suche nach Supersymmetrie am LHC Inhalt Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus / Was ist Supersymmetrie? LHC,CMS und ATLAS Suche nach Supersymmetrie am LHC 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus keine Gravitation keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt keine Lösung des Hierarchieproblems 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Mögliche Lösung: Supersymmetrie Standardmodell Supersymmetrie Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mit Spinunterschied ½. 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Größenordnung der SUSY-Brechung bei sichtbar am LHC 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC 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 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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  01 (leichtestes Neutralino) guter Kandidat für kalte dunkle Materie verhält sich wie entkommt Detektor ETmiss typische SUSY Signatur 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC SUSY-Brechung noch keine SUSY-Teilchen beobachtet mSUSY > mSM 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! 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC 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 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Das mSUGRA Modell Vereinfachung des MSSM auf 5 freie Parameter: m1/2 universelle Masse der Gauginos m0 universelle skalare Masse A0 universelle Kopplung tan Verhältnis der Vakuumserwartungswerte der Higgsfelder sgn(µ) Vorzeichen des Higgsino-Mischungsparameter Verbindung mit allgemeiner Relativitätstheorie Vorteil: überschaubarer Parameterraum häufig benutztes Modell 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Der Parameterraum SUSY-Massen hauptsächlich durch m1/2 und m0 festgelegt tan und sgn(µ) betreffen den Higgs-Sektor meistens A0=0 Betrachtung der m1/2-m0-Ebene für einige tan und sgn(µ) Je nach Lage in Ebene andere Teilchenmassen und damit andere Zerfallskanäle 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Erlaubte Bereiche in der m1/2-m0-Ebene für verschiedene Einschränkungen tanb=35 tanb=50 aµ = anormales Myon Moment 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC mSugra + WMAP Unter Einbeziehung der verschiedenen Annihilationskanäle und den Einschränkungen aus WMAP-Datenanalysen, lässt sich der Parameterraum in mSugra-Modellen in fünf ver-schiedene Regionen unterteilen: Bulk-Region: focus-point-Region: oder A-Resonanz-Region: h-Resonanz-Region: Stark von top-Quarkmasse abhängig Stau-Koannihilationsregion: z.B. 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Schranken von LEP und Tevatron Squarks, Sleptonen und Gluinos schwerer als Charginos und Neutralinos Derzeitige Massenlimits: m (l, c±) > 90-100 GeV LEP II m (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I m (c = LSP) > 47 GeV LEP II ~ ~ ~ 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Der LHC CMS TOTEM ALICE SPS LHC ATLAS 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Technische Daten Proton-Proton Ringbeschleuniger 2835x2835 Bunches mit 1011 Protonen/Bunch Crossing Rate 40 MHz ~ 107-109 Kollisionen/s 14 TeV Schwerpunktenergie 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde 1232 15m lange, supraleitende Magnete (8,33T) finale Luminosität L= 1034 cm-2 s-1 (vgl. TEVATRON L ~1031 cm-2 s-1 ) 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC CMS 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC CMS - Aufbau 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC ATLAS Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Suchstrategie Suche nach Abweichung vom Standardmodell, z.B. ETmiss und Identifikation als SUSY Bestimmung der SUSY Massenskala z.B. effektive Massenverteilung Bestimmung der Modellparameter Strategie: Selektion spezieller Zerfallsketten, Suche nach kinematischen Endpunkten, um Massen-kombinationen zu bestimmen (schwierig!) 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Squarks und Gluinos werden über starke Wechsel-wirkung produziert Zerfall in Leptonen, Hadronenjets und LSP ETmiss 2l + 6j + ETmiss 2l + 2n + 6j + ETmiss 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Abweichungen vom Standardmodell Kaskadenzerfälle in das LSP: Suche nach mehreren Jets und fehlender transversaler Energie Typische Selektion: Njet > 4 ET > 100, 50, 50, 50 GeV ETmiss > 100 GeV Bestimmung der „effektiven Masse“ Meff = ETmiss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Erwartete Ergebnisse 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 SUSY SM m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan b = 10, A0 = 0, m > 0 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Erwartete Ergebnisse andere SUSY Signaturen, z.B. Leptonen, b-jets, t‘s Multijet + ETmiss Signatur 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Bestimmung der SUSY Modellparameter Unsichtbares LSP, daher keine vollständige Massen-rekonstruktion möglich Einfachster Fall 02  01 + - M ≤ M(02) - M(01) (signifikanter Zerfall, wenn keine c02 → c01Z, c01h Zerfälle auftreten) Auswahl: 2 isolierte Leptonen, Jets und große ETmiss links: X+ll rechts: X+Z->ll 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Bestimmung der SUSY Modellparameter Kante im Dilepton-Spektrum Hinweis auf Produktion von 02 Hinweis auf SUSY Durch Anwendung geeigneter Cuts (z.B. ETmiss>150GeV) geringer SM-Untergrund Entdeckung möglich ab Lint = 10fb-1 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC 02  01h, h  Unterdrückung des SM-Hintergrundes durch geeigneten Cut bei ETmiss 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC 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). 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC Literatur A.V.Gladyshev, D.I.Kazakov: Supersymmetry and LHC [hep-ph/0606288] CERN Summer Student Lectures http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7 John Ellis: Beyond the Standard Model for Hillwalkers [hep-ph/9812235] Discovery potential for supersymmetry in CMS [hep-ph/9806366] 05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC