Fisica ad LHC. Carlo Civinini. INFN - Firenze

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1 Fisica ad LHC Carlo Civinini INFN - Firenze Firenze 3 Luglio 2002

2 Introduzione L acceleratore Gli esperimenti (Atlas + CMS) La Fisica (Higgs + Susy) Un po di futuro 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 2

3 La macchina Collisore p-p 7+7 TeV, L = cm -2 s -1 Un po di storia CERN: ISR 1971 (p-p GeV) SppS 1981 (p-p GeV) -> Workshop LHC a Losanna 1984 Inizio LEP > Workshop esperimenti LHC a Evian > Approvazione ufficiale LHC da parte del CERN 1994 Fine LEP July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 3

4 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 4

5 Parametri di LHC Campo Dipoli 8.33T Corrente per fascio 0.56 A Separazione tra pacchetti ns (7.48 m) Protoni per pacchetto 1.1*10 11 Angolo di collisione 300 µrad Vita media della luminosita 10 ore Energia per fascio 350 MJ 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 5

6 Nuovo piano per LHC Ultimo Dipolo : Luglio 2006 Macchina chiusa e raffreddata : Ottobre 2006 Prime collisioni : Aprile 2007 Fisica (a cm - 2 s - 1 ) Circa 10 fb-1 entro : Luglio 2007 : Febbraio July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 6

7 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 7

8 Punto d interazione 5 (CMS) 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 10

9 ATLAS Toroids Shielding Muon Chambers 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 12

10 ATLAS 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 13

11 TLAS: Calorimeters and Inner Detector TRT: straw tubes SCT: Si mstrips Pixels Forward LArg Calo Had LArg Calo EM LArg Calo Had Tile Calo 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 14

12 CMS FORWARD CALORIMETER copper/quartz fibers 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 16

13 Caratteristiche dei rivelatori Magnet (s) Tracker EM Calo Had Calo Muon ATLAS Air-core toroids + solenoid inner cavity. Calorimeters outside field 4 Magnets Si Pixel + strips TRD for particle identification B=2T σ/p t p t 0.01 Pb - liquid argon σ/e 10%/ E uniform longitudinal segmentation Fe-scintillator +Cu liquid argon (10λ) σ/e 50%/ E 0.03 Air σ/p t 7% at 1TeV standalone CMS Solenoid Calorimeter inside field 1 magnet Si Pixel + strips B = 4T σ/p t p t PbWO4 crystals σ/e 3-5%/ E no longitudinal segmentation Cu scintillator (>5.8λ + catcher) σ/e 65%/ E 0.05 Fe σ/p t 5% at 1TeV combining with tracker 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 18

14 The Alice Detector 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 19

15 LHCb 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 20

16 Problemi aperti in HEP i) Generazione delle masse nel Modello Standard i) Bosone di Higgs ii)bosoni di Higgs ii) Nuova fisica vicino alla scala elettrodebole i) Supersimmetria ii)extra-dimensions iii) iii) Flavours i) Quark (CP, CKM, ) ii)leptoni (e->µγ, oscill. ν, g-2, ) 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 21

17 Limiti su m H Limite sperimentale a LEP m H > GeV/c 95% CL Limite da misure elettrodeboli m H < 196 GeV/c 95% CL 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 22

18 Produzione di bosoni di Higgs ad LHC (1) gg fusion WW/ZZ fusion associated tt H associated WH, ZH 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 23

19 Produzione di bosoni di Higgs ad LHC (2) Events for 10 fb Fusione 10 4 Prod. associata Leading order 10 Correzioni NLO circa July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 24

20 Decadimento del bosone di Higgs Branching ratios 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 25

21 Prospettiva di scoperta l bosone di Higgs del MS uo essere scoperto a 5 σ on 10 fb -1 per esperimento n anno a cm -2 s -1 ) per 130 GeV/c2 H ATLAS+CMS no K-factors coperta piu rapida ad alte asse utto l intervallo di masse uo essere escluso al 5% CL solo dopo un mese i presa dati LEP2 LEP 2 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 26

22 Prospettiva al Tevatron (i) 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 27

23 H figg Fondi Produzione γγ: irriducibile σ σ ( H ( γγ ) γγ )» 60 m gg ~ 120 GeV Produzione di γ jet + jet jet: riducibile uno/due jets simulano Fotoni: q σ σ jj ( H γγ ) ~ 10 8 Segnale 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 29 q q g H q γ γ γ γ γ π 0 γ (s) e il canale piu difficile per quanto riguarda le richieste sulle prestazioni dei calorimetri elettromagnetici: soprattutto per risoluzione in energia e direzione, accettanze e separazione γ /jet γ / π 0

24 H -> gg Background subtracted 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 30

25 Produzione associata tth fittbb σ x BR 300 fb Stato finale complesso H bb t bjj, t blν l = e, m per il trigge e reiezione del fondo ATLAS 100 fb -1 m H =120 GeV S/B ~ 30% Fondi principali: -- combinatorio dal segnale (4b nello stato finale) -- Wjjjjjj, WWbbjj, etc. -- ttjj (dominante, non risonante) Canale utile per M H 130GeV 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 31 b b ridotto ricostruendo entrambi i to

26 La regione LEP (~115 GeV) ATLAS+ CMS no K-factors Con i due canali complementari descritti in precedenza si puo raggiungere una evidenza a 5 σ con 10 fb -1 m H ~ 115 GeV 10 fb -1 per esperimento H γγ tth ttbb S B S/B S/ B July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 32

27 Produzione da fusione di W o Z Processo utile nella regione di bassa massa La sezione d urto e il 20 % della sezione d urto totale di produzione di Higgs per m H ~ 120 GeV (~20 pb) pero : presenza caratterizzante di due jet in avanti (possono essere usati come strumenti per ridurre il fondo) ATLAS + CMS 10fb -1 m H =120 GeV WW H γγ WW H ττ S B S/ B ~ 8 ~4 (Poisson) 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 33

28 H -> ZZ* -> 4l Occorre un ottimo tracciatore insieme ad un buon sistema per l identificazione dei muoni e misura di elettroni (Dm H < 1 GeV per m H < 2m Z ). In -questa - regione di masse i fondi principali sono tt, Zbb (riducibili) e produzione di ZZ*/Zg nel continuo (irriducibili). Per m H > 2m Z il canale con 4 muoni diventa molto facile ed e lo strumento principale per una rapida scoperta se 2m Z < m H < ~400 GeV/c fb -1 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 34

29 H -> llnn, lljj, lnjj Per m H molto alta la sezione d urto di produzione diminuisce e la larghezza della particella aumenta. Occorre quindi cercare canali di decadimento con BR maggiori anch se piu contaminati dal fondo. 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 36

30 Misura della massa della Higgs Risoluzione sulla massa dominata dai canali H γγ e H 4l Sono dominanti le incertezze sistematiche sulla scala assoluta dell energia di elettroni e fotoni Assumed 1 Goal 0.2 Scala assoluta data da Z fi ll (vicino alla massa della Higgs leggera) Errore <10% per misure di larghezza e circa 10-20% per misure di sezione d urto di produzione o accoppiamenti e BR 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 38

31 Limiti del Modello Standard Tutte le misure sperimentali eseguite fino ad oggi sono compatibili con le predizioni del Modello Standard. Se pero vogliamo una teoria valida fino a una scala di energia L arbitraria il modello perde di naturalezza. δ 2 m H = O α π Λ 2 19 Λ~ M 10 GeV δm P H ~10 15 m H Problema Gerarchico 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 39

32 Soluzione del problema gerarchico Regolazione fine: ~ 100 GeV + 10 GeV Introducendo una simmetria tra Bosoni e Fermioni si ottiene una cancellazione delle correzioni. Viene cosi preservata la massa degli scalari in modo naturale. 2 α α 2 δm H = O ( Λ + m B ) ( Λ + m f ) = O ( m B m π π m obs H = = m bare H bare H + δm [ ] 2 ) m H 15 f 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 40

33 Scala della Supersimmetria Finora non sono state osservate particelle Supersimmetriche, quindi la Supersimmetria non e esatta. Se vogliamo un bosone di Higgs con massa dell ordine di 100 GeV/c occorre che δm H m H 2 2 f m m B 1TeV 2 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 41

34 Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) Fermioni quark, leptoni s = ½ Bosoni di Gauge W ±, Z 0, g, gluoni s = 1 Higgs s = 0 Sfermioni squark, sleptoni s = 0 Gaugini Wino, Zino, fotino, gluino s = 1/2 Higgsini s = 1/2 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 42

35 Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) ~ W ~, Z, ~ γ H ~, ~ si mescolano, e nello spettro fisico χ ±, i = 1,2 ~ χ 0, j = 1,4 i Chargini j Neutralini R-parita : R = ( 1) 3B+ L+ 2S R = +1 R = -1 Mondo normale Mondo supersimmetrico 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 43

36 Se R si conserva: R-Parita Le particelle supersimmetriche vengono prodotte sempre in coppia Ogni particella supersimmetrica decade in uno stato finale che contiene un altra particella supersimmetrica La particella supersimmetrica più leggera deve essere stabile (LSP) Se la LSP avesse carica elettromagnetica o forte, condenserebbe in materia ordinaria, e si mostrerebbe sotto forma di isotopi anomali. La LSP deve interagire solo debolmente 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 44

37 MSSM: rottura della simmetria elettrodebole Prima della rottura: 2 doppietti di Higgs (4 campi reali) 8 gradi di libertà Dopo la rottura: 3 assorbiti da W ±, Z 0 fisiche h 0 H 0 A 0 H + H - 5 particelle tan β = v v A m~ t 1TeV m 130 GeV < h m 0 >> m m m m Z A H H 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 45 ±

38 MSSM Higgs tanb 5s contours Tutto il piano m A -tanβ e coperto dalle varie ricerche: h γγ,bb, A/H µµ,ττ, H ± τν In questa zona puo essere visto solo h. H,H h,,h,h h,a,h h,a,h,h h,a,h,h h,h 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 46 h,h 4 Higgs observable 3 Higgs observable 2 Higgs observable 1 Higgs observable h h,h m A (GeV Se le Higgs del MSSM non decadono in Particelle Supersimmetriche

39 Se Susy e connessa al problema gerarchico alcune sparticelle verranno coperte ad LHC pero : non esiste un limite superiore ed LHC potrebbe essere al limite ella sensibilita CMS Gluini e Squark 5σ contours Al Tevatron run II si dovrebbe raggiungere circa 400 GeV/c 2 per squark e gluini Sensibilita a 5 s per m (q ~ ), m (g ~ ) tanβ=10 LHC 2.5 TeV SLHC 3 TeV s = 28 TeV, TeV s = 28 TeV, TeV 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 48

40 Gluino reconstruction ~ ~ pp > g > bb (26 %) ~0 χ 2 b χ ~ ~ l 0 1 (35 %) ± l l + l (0.2 %) ~ + > χ1l l m 0 Event final state: 2 high p t isolated leptons OS 2 high p t b jets missing E t (60 %) p b m l 0 ~χ 1 p g ~ ~ b ~χ 0 2 ~ ± b l M. Chiorboli 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 49 ± l

41 Futuro a medio-lungo termine SLHC : luminosita (L = cm -2 s -1 ), forse anche energia ( s=28 TeV?? TeV-range e + e - LC (TESLA, NLC, JLC) : s = TeV, L = cm -2 s multi-tev e + e - LC (CLIC) : s = 3-5 TeV, L = cm -2 s -1 Muon Collider : s 4 TeV, L ~ cm -2 s -1? Tre passi : ν factory, Higgs factory, high-e muon collider time scale > 2020 VLHC : s = TeV, L = cm -2 s -1 2 e 5 non sono verosimilmente opzioni CERN 4 bassa priorita 1 naturale estensione di LHC 3 futura macchina CERN 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 51

42 Conclusioni SM-Higgs: tutto l intervallo di masse da LEP a 1 TeV/c 2 e accessibile; sfida sperimentale se m H = 115 GeV/c 2. MSSM-Higgses: almeno una puo essere scoperta in tutto il piano m A - tanβ, necessari almeno 100fb -1. Nella zona di tanβ intermedia si potra rivelare solo h, quindi non sara banale distinguere SM da MSSM. Susy: se c e si lascera vedere. 4 July 2002 C. Civinini INFN-Firenze 52