Suche nach Supersymmetrie am LHC

Präsentation zum Thema: "Suche nach Supersymmetrie am LHC"—  Präsentation transkript:

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

1 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

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

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

5 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

6 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

7 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

8 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! Suche nach Supersymmetrie am LHC

9 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

10 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

11 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

13 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. Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

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

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

17 Suche nach Supersymmetrie am LHC
CMS Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

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

20 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!) Suche nach Supersymmetrie am LHC

21 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

22 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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Erwartete Ergebnisse Erreichbare Squark- und Gluino Massen am LHC: 1 fb  M ~ GeV 10 fb  M ~ GeV 100 fb  M ~ 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

25 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 Suche nach Supersymmetrie am LHC

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

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

28 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). Suche nach Supersymmetrie am LHC

29 Suche nach Supersymmetrie am LHC
Literatur A.V.Gladyshev, D.I.Kazakov: Supersymmetry and LHC [hep-ph/ ] CERN Summer Student Lectures John Ellis: Beyond the Standard Model for Hillwalkers [hep-ph/ ] Discovery potential for supersymmetry in CMS [hep-ph/ ] Suche nach Supersymmetrie am LHC