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

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

Ma. Laach, Sep ATLAS public physics results: CMS public physics results: M. Mühlleitner: Supersymmetrie an Collidern I. Aitchinson: Supersymmetry and the MSSM: An Elementary Introduction P. Labelle: supersymmetry DeMYSTiFieD, McGrawHill (2010) Literatur C.-E. Wulz3

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep /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 ~

Ma. Laach, Sep 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

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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep m (l, ) > GeV m (q,g) > 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

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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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/ Inklusive Suche C.-E. Wulz19

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

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

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

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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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

Ma. Laach, Sep 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.

Ma. Laach, Sep 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

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

Ma. Laach, Sep Geladene Higgsteilchen im MSSM C.-E. Wulz31 Untersuchte Endzustände: tH + bqq h tbH + bqq b h Rekonstruktion des Tops essentiell! Ma. Laach, Sep 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

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

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 C.-E. Wulz33 Gravitation scheint mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften! Mögliche Lösung dieses Hierarchieproblems durch Extradimensionen.

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 C.-E. Wulz34

ADD-Modell – große Extradimensionen Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz35 Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, arXiv:hep-ph/ v1 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, …).

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 m (Protondurchmesser) zu untersuchen. Diese Distanzen liegen vielleicht in der gleichen Größenordnung wie die Radien der aufgerollten Dimensionen. Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz36

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

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 m) produzieren. Die kollidierenden Partonen müssten sich auf Distanzen kleiner als 2 R S annähern. Die schwarzen Löcher sollten jedoch sehr schnell (~ 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 C.-E. Wulz38

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

BACKUP 40

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

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