SUSY and Beyond the Standard Model a CMS e ATLAS

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1 SUSY and Beyond the Standard Model a CMS e ATLAS Massimiliano Chiorboli (Università di Catania) Davide Costanzo (Berkeley( National Laboratory)

2 Necessità di andare oltre lo SM Ottima descrizione della Fisica dalla scala atomica a Estensione motivata dallo Hierarchy Problem 18 m Planck scale (10 19 GeV) >> EW scale (10 2 GeV) Le correzioni radiative portano la massa dell Higgs alla scala più alta, a meno che uno spinto fine tuning dei parametri non dia delle cancellazioni Possibili soluzioni: Supersimmetria Little Higgs Extra Dimensions Technicolor, Modelli Higgsless (non trattati in questo talk)...

3 SUPERSYMMETRY

4 Supersimmetria (SUSY) Raddoppia i gradi di libertà MSSM (q,( g, l, χ) Modelli (msugra( msugra,, GMSB, ecc.) Fenomenologia (msugra( msugra): Alta molteplicità high-pt leptons high-pt jets Missing ET

5 SUSY: Trigger Obiettivo : ridurre i 40 MHz bx rate ( 1 GHz pp) ) O(100 Hz) Preservare la massima efficienza di segnale SUSY in canali jets + ETmiss Grosso rate QCD: trigger rate su nastro limitato dalla potenza di calcolo HLT Studio di ottimizzazione (CMS) Punti a limite della regione di scoperta di TeVatron R-conserving e R-violatingR Full simulation su segnali SUSY e fondi SM per valutare l efficienza di trigger Efficienza ottimizzata per un rate O(10 Hz) Schemi possibili (low( low-lum): 1 jet con ET > 180 GeV & missing ET > 123 GeV 4 jets con ET > 113 GeV Efficienze: 60-70% R-conservingR 25-45% R-violatingR

6 SUSY: Scoperta Jets+MET danno la migliore sensibilità Tempi limitati non dalla statistica, ma dalla comprensione delle prestazioni dei rivelatori Calibrazioni della scala di energia dei jet Calibrazioni della missing energy Occorrono grandi quantità di dati W,Z,ttbar per una corretta stima dei fondi Scoperta possibile fino a masse di q e g dell ordine di TeV con 300 fb -1 Various luminosities Tevatron reach < 0.5 GeV 1 LHC FAST SIMULATION A 0 = 0 tanβ = 35 µ >

7 SUSY scoperta Analisi di supporto basate su leptoni trigger più efficiente migliore soppressione del fondo 10 fb -1 m % χ + d 1 pp gu %% L + X tt % 1 % FULL SIMULATION 10 fb -1 χ + b 1 % ν µlµ + % ν µ + µl % χ ν 0 1 µ % χ ν 0 1 µ m 1/

8 q L SUSY Misura dei parametri Scegliere alcuni punti di benchmark nello spazio dei parametri msugra Identificare catene di decadimento in modo esclusivo Se una catena di almeno 3 two-body body-decaysdecays può essere isolata, le masse e gli impulsi delle particelle possono essere misurate. Edge e soglie nelle distribuzioni di massa invariante funzioni delle masse delle particelle χ χ q χ 0 2 l l l χ 0 1 l 0 2 l fb -1 l + SM trascurabile

9 SUSY Misura dei Parametri ATLAS punto SPS1 (m 0 =100, m 1/2 =250, tanβ=10, A 0 =-100, µ>0) ATLFAST (fast simulation) 100 fb -1 M ll M llq High M lq Low M lq M llq M hq end-point misurati con errori dell 1 2% Sparticle Expected precision (100 fb -1 ) q L ± 3% χ 0 2 ± 6% l R ± 9% χ 0 1 ± 12%

10 Le incertezze sistematiche sulla scala di energia di jet e leptoni dominano sulle incertezze statistiche Sfruttare grande statistica di Z llz ll,, W jjw per le calibrazioni Lepton scale: Z ll (2 ev/s a ), constraint sulla massa di Z LHC goal: 0.1% Sistematici dominanti: Z ee conoscenza del materiale nella parte interna del detector (goal 1%), modelling del bremsstrahlung (goal 10%) Z µµ mapping del campo magnetico, allineamenti Jet scale: Z( ll ll)+jet, richiedendo p T (jet) = p T (Z) W jj,, in eventi tt bwbw bwbw, richiedendo m jj LHC goal: 1% Sistematici: jj =m W Final State Radiation, cono per la ricostruzione del jet

11 Full simulation Simulazione completa (Geant3) del rivelatore (ATLAS) 100K eventi simulati,, 5.3fb -1 Massa invariante (Flavor subtracted) Edge atteso a 100.3GeV 5.3 fb -1 (misurato ±1.2GeV) q L q χ 0 2 l l Massa Invariante l χ 0 1

12 Ricostruzione delle S-particelle r p 0 χ2 M 1 + Ml χ = 0 1 r p + l l + l p p 300 fb -1 g b b m l 0 χ 2 ± b l χ 0 1 ± l q b g Ricostruzioni possibili già a fb -1 Incertezze statistiche << 1% con 300 fb -1 Incertezze principali: energy scale e M(χ 10 ) g 300 fb -1

13 Little Higgs

14 Little Higgs Idea: cancellazione tra stati con uguale spin Naturale se inglobata in una simmetria più ampia Higgs pseudo-goldstone di una simmetria globale Diversi modelli Littlest Higgs: SU(5) SO(5) [SU(2) U(1)] U(1)] [SU(2) [SU(2) U(1)] U(1)] SU(2) U(1) U(1) SUSY : Little Higgs : bosons gauge bosons quarks cancellations fermions new gauge bosons new quarks

15 -1 Events/40 GeV/300 fb Little Higgs - T Quark Search Parametri: : M T, λ 1 /λ 2 ATLAS Fast simulation (hep( hep-ph/ ) ph/ ) Plot per 300 fb -1 Limite di scoperta 5σ per λ 1 /λ 2 = 1 (2)( ) e 300 fb T T fb -1 T Zt l + l - lνb T Wb lνb T ht bblνb WZ,ZZ,tbZ ATLAS -1 Events/40 GeV/300fb tt,t ATLAS fb fb fb Events/30 GeV/300 fb tt T ATLAS Invariant Mass (GeV) M T < 1050 (1400) GeV Invariant Mass (GeV) M T < 2000 (2500) GeV Mass(jjjeν) (GeV) 4σ for M T = 1000 GeV 3σ for M T = 700 GeV

16 Little Higgs - Heavy Gauge Bosons Parametri: M, cot θ (per Z H ), tan θ (per A H ) Scoperta: A H, Z H ee, µµ W H eν, µν Fino a 5 TeV,, tranne per piccoli cot θ (W H,Z H ) e per tan θ 1.3 Dalla σ misura di θ Canali specifici per LH: Z H Zh llbb W H Wh lνbb W H /Z H W/Z h h qqγγ cot θ = 1.0 M Z = 2 TeV 100 fb -1 cot θ = 0.2 S 5000 B 20 S 100 B 8 M Z = 2 TeV Z+jet 300 fb fb -1

17 Extra Dimensions

18 Extra Dimensions Hierarchy problem risolto in modo geometrico : Interazione gravitazionale così debole solo perché diluita in n dimensioni Non abbiamo mai visto le dimensioni extra perché esistono a scala a R < 1 mm Verifiche dirette dell interazione gravitazionale fino a R 1mm Molti modelli. LHC-friendly friendly: ADD (Arkani-Hamed Dimopoulos Dvali) TeV-1 sized ED RS (Randall Sundrum)

19 ADD n extra-dimension di size TeV -1 <<R 0 <0.2 mm (n=1 escluso, n=2 quasi escluso) Geometria flat flat Gravità nel bulk, va come R -(2+n) per R < R 0 ed è forte a scala M D ( TeV) M n+2 D R d 0 = M Planck R 0 1 mm (n=2) or 10 fm (n=6) (Large Extra Dimensions) SM particles nel brane (3+1 dimensioni) Eccitazioni Kaluza-Klein Klein del gravitone di bassa energia.. Coupling con le particelle SM debole e universale.. Grande numero di stati (continuo).

20 Large extra dimension: direct searches Produzione diretta di gravitoni KK ( k) ( k) qq gg, γ G ( k ) qg qg jets + ET, γ + E ( k ) gg gg LEP+Tevatron Tevatron+Hera limits 1.4/0.6 TeV (δ=2/6) ATLAS search (L. Vacavant and I. Hinchliffe,, J. Phys. G27, 1839) T Events/20 GeV q _ 10 4 q G g(jet),γ 300 fb -1 ( k) ( k) qq gg, γ G ( k) qg qg jets + ET, γ + E ( k ) gg gg jet(s) + MET γ + MET T E T miss (GeV)

21 TeV -1 sized Extra Dimensions Una ED bosoni di gauge bosons nel bulk Fermioni sulla 4D brane ad uno/due punti fissi nella 5 a dimensione (M1/M2 models). KK spectra for Z (k),w (k) : m k2 = m 02 +k 2 M 2 C EW data: M C > 4 TeV Solo la prima risonanza osservabile Scoperta con ee, µµ,, eν, e µν Misure di precisione con elettroni M2 SM DY M1 E/E 2 TeV e 2 TeV µ ATLAS 0.7 % 20 % CMS 0.6 % 6% Sensitivity to peak (100 fb - 1, S/ B>5, S>10): 5.8 TeV Reach (with interference in tail, el.,100 fb - 1 ): 9.5 TeV Ultimate (with interference, el.+muons muons, 300 fb - 1 ): 13.5 TeV 100 fb fb -1 ATLASe + e - ATLAS γ (1) /Z (1) ee, 100 fb -1

22 Altri modelli di Z pesanti Studio CMS per Z generico Z µ + µ, BR(6-8%) Z SSM, Z ψ, Z η, Z χ, Z LRM, Z ALRM Limiti sulla massa Attuale: GeV Previsto per LHC start-up: 1 TeV 0.1 fb -1 BKG only Sig + Bkg FULL SIMULATION

23 RS Randall Sundrum 2 brane (TeV brane e Plank brane) ) connesse da una 5 a dimensione a geometria curva Gravità nel bulk Gravity scale Λ π M Pl e -kr krπ TeV se kr 12, scala dei processi sulla TeV- brane (y = πr) Curvatura 0.01 < c=k/m Pl < 0.1 Eccitazioni KK del gravitone: M n = kx n e -kr krπ con J 1 (x n ) = 0, M 1 = 0.83 c Λ π Coupling degli stati KK 1/ Λ π y=0 y=rπ y c = 0.01 c = 0.05 c = 0.1

24 RS - Gravitone Canali di scoperta: G ee,µµ,γγ Regione di interesse totalmente coperta con 100 fb-1 Possibilità di misuare i parametri da M, Γ e σ Misura dello spin in un ampia regione (end-caps needed!) θ* angolo tra il fascio e il leptone nel centro di massa del dileptone FULL SIMULATION G e+emg= 1.5, 1.75, 2 TeV c = fb-1 DY e+e-, 100 fb-1 mg= 1.5 TeV, c = 0.01 M. Chiorboli & D. Costanzo 14/10/2004

25 Scalare che rappresenta fluttuazioni nella metrica della 5 dimensione Possibilmente più leggero di G (1) Può mixare con l Higgs Higgs: ξ Higgs-like couplings Parametri: ξ, m φ, m H, Λ φ φ hh γγbb γγjj γγcc γγbb RS - Radion ttbar Z+j, W+j Zbb φ hh γγbb b τ + τ bb FULL SIMULATION Working point: M φ =300 GeV/c 2, m H =125 GeV/c 2 ξ = 1/3, Λ φ = 1 TeV Scan in (ξ,( Λ φ ) plane 30 fb -1 γγbb bb: : ampia regione nel piano (Λ,ξ( Λ,ξ) ττbb bb: : conferma bbbb: : accurata conoscenza del bkg (< 0.1%) φ hh bbbb QCD ttbar ttjj Zbb

26 Conclusioni LHC macchina ideale per vedere nuova fisica Supersimmetria scoperta possibile in ampie regioni dello spazio dei parametri scoperta possibile con bassa luminosità integrata possibilità di misurare le masse e di ricostruire i picchi in certe regioni dello spazio dei parametri più modelli presi in esame Little Higgs Scoperta possibile per T, W H, Z H (dopo diversi anni di presa dati) Possibilità di osservare i decadimenti specifici del modello per W H e Z H Extra-Dimensions Diversi modelli presi in esame (ADD, TeV - 1, RS) Possibilità di scoperta fino ad alte scale (masse) Osservazione diretta di gravitoni, bosoni pesanti, radioni

27 Additional slides

28 Heavy Higgs Less constrained in mass 8 qq φ ++ φ -- 4l (too small cross section) qq q q φ ++ q q W + W + q q 6 llν Coupling φww depends on v (VEV of Higgs triplet) 4 From EW data v < 15 MeV For m φ = 1000 (1500) GeV discovery requires v > 29(54) 2 MeV Φ + and Φ 0 probably even more difficult 0 Events/100 GeV/300 fb -1 ATLAS m Φ = 1 TeV hep-ph/ fb -1 WWqq Φ m T (GeV)

29 Effetti di saturazione in ECAL Elettroni molto energetici: saturazione nell elettronica di ECAL Sviluppo di un algoritmo di correzione

30 Black Holes Se s > M Pl (gravity scale) è possibile la produzione di black holes. σ πr 2 s (grande, ma suoppressa dalla parton pdf) σ tot σ tot tot = 0.5 nb (M p = 2 TeV,, δ=7) tot = 120 fb (M p = 6 TeV,, δ=3) Incertezze per la mancanza di una quantum gravity theory Decadimenti per Hawking radiation con T 100 GeV (10 15 K) Molteplicità 10, tutte le particelle con m << T prodotte con uguale probabilità

31 Black Holes BH detection: Tag event with at least 4 jets + photon or electron SM background small M BH reconstructed for each event Higgs Discovery from BH decays: High production rate of BH + democratic decay of BH: MP 2 TeV and n=3 σ BH = 450 pb 1 light Higgs every 3 s M P = 3 TeV M P = 5 TeV m H =130GeV M P = 7 TeV W/Z

32 τ-nlsp GMSB uso del muon system per misurare il time-of of-flight flight di leptoni pesanti Massa dello τ misurabile in range GeV per 100 fb -1 χ-nlsp Sciami elettromagnetici non puntati al vertice Per grandi cτ: : sciami elettromagnetici nel muon system

33 Large ED: indirect searches Lo scambio virtuale di gravitoni modifica la σ di Drell-Yan e le asimmetrie Divergenza UV, mancata conoscenza della teoria completa uso di un cut-off M S ATLAS, 100 fb -1 M S < 5.1 TeV ll M S < 6.6 TeV γγ q q _ KK ee, µµ, γγ V. Kabachenko et al., ATLAS-PHYS M eff = 4 TeV M eff = 4 TeV dn dη pp γγ M(ll) (GeV) M(γγ) (GeV) η

34 Una variazione di una fattore 2 del background muove le curve di qualche decina di GeV