Nuovi bosoni di gauge ed Extra Dimensioni ad LHC

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1 Nuovi bosoni di gauge ed Extra Dimensioni ad LHC Alessandro Palma INFN Roma1 & Università di Roma La Sapienza IFAE Napoli 11 Apr 2007

2 Sommario Bosoni di gauge addizionali: Z, W Fenomenologia delle Extra Dimensioni: Buchi neri (BH) Gravitoni Particolare attenzione a segnali immediati ( 1 fb -1 ) NO Susy, NO Higgs 2

3 Z - generalità Bosone di gauge neutro da: GUTs, ExtraDimensioni con stati di Kaluza- Klein, modelli simmetrici LR, Little Higgs Sequential Standard Model (SSM): Z SSM ( benchmark model ) GUT basate sul gruppo di gauge E6: Z η, Z ψ, Z I, Z χ Left-Right symmetric models: Z LRM, Z ALRM Decadimento dello Z Z f, W f, W Z ee (µµ) segnatura molto evidente 2 leptoni isolati di alto p T =O(1 TeV) fondo molto piccolo 3

4 W - generalità Bosone di gauge carico: si accoppia ai campi right-handed del Modello Standard Compare da gruppo di gauge SU(2) R nei modelli simmetrici Left-Right, nelle GUT SO(10) o dalle teorie Little Higgs dove l Higgs è uno pseudo-bosone di Goldstone W eν (µν) 1 leptone isolato di alto p T = O(1 TeV) E T = O(1 TeV) 4

5 Z - limiti attuali e fondi Ricerca diretta al Tevatron (ee,µµ): www-cdf.fnal.gov/physics/exotic/exotic.html M Z > GeV (dip. dal modello) Fondo principale: DY in e/µ Altri fondi: WW, WZ, ZZ, ttbar 5

6 Z CMS [CMS PTDR2] Significatività 5σ fb fb -1 CMS: risultati analoghi per Z ee ATLAS: con Z ee SSM, bastano 0.1 fb -1 se M Z <1.3 TeV < 0.1 fb -1 6

7 Z CMS: sistematiche bande a 1σ Long term scenario (final alignment) First data scenario (preliminary alignment) TEORICHE: libreria PDF scala dell evento duro correzioni EW e QCD SPERIMENTALI: disallineamenti TK, Muon, TK-Muon calibrazione Drift Tubes non influenzano lum. di scoperta 7

8 W CMS [Hof, CMS-CR2006/054] Segnatura: E T, µ isolato Fondi: W->µν, Z->µµ, ttbar, WW Significanza sulla massa trasversa M T Limite di CDF Run II: M>790 [Gris, March 06] 8

9 Extra Dimensioni (modello ADD) [N.Arkani-Hamed, S.Dimopoulos, and G.R.Dvali,Phys.Lett. B429(1998)] Problema gerarchico: M Planck (10 19 GeV) >> M EW (100GeV) n extra-dimensioni spaziali compattificate su scala R la gravità si propaga nel bulk a 3+n dimensioni, dove ha scala M D << M Planck Constraints: M D < 10 TeV (probl. gerarchico) n>1 (n=1 escluso dalla legge di Newton testata fino a 200 µm) 9

10 Buchi neri (BH) ad LHC [Gamsizkan et al., CMS AN-2006/088 ] T = K, decadimento rapidissimo (10-27 s) via radiazione di Hawking Per creare buchi neri ad LHC è richiesto: s > M D = O(1 TeV) Parametro d impatto b piccolo (condizione di Schwarzschild): b < R S partone b < R S partone Sezione d urto ad LHC per M BH > M D : 1pb < σ <15 pb, per 1 TeV < M D < 5 TeV Per L = cm -2 s -1, rate di produzione ~ 0.1 Hz 10

11 Un evento BH in ATLAS E T Media di 6 particelle nello stato finale, emesse sfericamente Decadimento democratico : equiprobabili ~120 canali particellaantiparticella -> probabilità di neutrini ( ) bassa Fondi: qqbar, ttbar, VV (V=Z,W), gv, gg 11

12 Selezione degli eventi: Potenziale di scoperta ATLAS [Robindra Pabhu, Univ. of Oslo, Atlas Exotics WG meeting Nov 04] 0) considero solo µ,e con p T > 30 GeV, γ/jet con p T >50 GeV 1)Taglio sulla sfericità dell evento 2) 3 particelle con E>300 GeV, 1 e+/- o γ 3) E < 100 GeV T Massa invariante dello stato finale (M D = 3 TeV) M D (TeV) Lum. scoperta a 5σ: S/ B>5. and S>10 Segnale Fondi 12

13 Gravitone - generalità Bosone di gauge dell interazione gravitazionale, spin 2, massa nulla Virtuale: decade in una coppia di fermioni o bosoni vettori Reale: non decade e non viene rivelato 13

14 Gravitone ADD: pp CMS [Weng et al., CMS NOTE 2006/129] Segnatura:, γ energetico Fondi: γ + Z νν, γ +W lν Tagli analisi: E T E T, E T (γ) > 400 GeV Luminosità di scoperta a 5σ: Tutti i fondi Segnale (M D =2.5 TeV, n=2) L=30 fb -1 14

15 Limiti sui parametri ADD Se LHC mette un limite inferiore M reach sulla scala della gravità: M D > M reach... M reach = 1 TeV: 10-5 fb -1 con il canale Buchi Neri (ATLAS, CMS) M reach = 5 TeV: 1 fb -1 con il canale Buchi Neri (ATLAS) REGIONE DI ESCLUSIONE 15

16 Gravitone Randall-Sundrum Modello RS: 1 sola extra-dimensione Nel bulk la gravità ha scala Λπ c Il gravitone si propaga nel bulk: c in 3D appaiono sue repliche massive ( torri di stati di Kaluza-Klein) 2 parametri: Λ π c = cost. di accoppiamento Constraints: c < 0.1 (curvatura 5D) Λ π < 10 TeV (probl. gerarchico) Le repliche generano risonanze 16

17 Randall-Sundrum: G CMS [Collard et al., CMS NOTE 2004/024] Fondi: γ, Z ->ee (DY) Tagli analisi: 2 el. con E > 100 GeV Risonanze equispaziate in massa RisonanzaM=1.5 TeVal variaredic G (K) e+ e- 17

18 RS: G CMS, ATLAS CMS [Collard et al.] ATLAS [Baker et al.] c Risultati simili con i muoni. 18

19 Conclusioni - cosa si scopre subito? Con 0.2 fb -1 ad LHC si possono scoprire: Z fino ad 1 TeV BH fino a 4 TeV gravitone ADD se M D < 1 TeV Con 1 fb -1 ad LHC si possono scoprire: Z fino a 2.5 TeV W fino a 3.5 TeV BH fino a 5 TeV gravitone ADD se M D < 1.7 TeV gravitone RS fino a 2 TeV 19

20 Conclusioni-cosa si esclude col tempo? Con 100 fb -1 ad LHC si può escludere: tutta la regione di interesse del modello Randall-Sundrum ~ tutto il modello Little Higgs Con 300 fb -1 ad LHC si può escludere: W nella regione accessibile (< 6 TeV) Z nella regione accessibile (< 6 TeV) 20

21 Backup Backup

22 Scala della gravità nel modello ADD 2 2+ n n M = M R Planck EXCLUDED BY COLLIDERS D EXCLUDED BY NEWTON S LAW TEST 22

23 Randall-Sundrum: G CMS [P. Traczyk, CMS CR 2006/056] 23

24 R-S: massa delle risonanze Masse dei gravitoni RS in 4D : M n = x n k exp(-kπr c ) dove J 1 (xn)=0 [f. di Bessel] =x n (k/m Planck ) Λ π 24

25 CMS: saturazione ECAL pp G e + e - Saturazione in ECAL se E>1.7 TeV su 1 Xtal 25

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