Physik am LHC und erste Resultate ClaudiaElisabeth Wulz

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

Offene fundamentale Inhalt Teil 4 Fragen Supersymmetrie SUSY Higgsteilchen C. -E. Wulz 2 Ma. Laach, Sep. 2010

Literatur ATLAS public physics results: https: //twiki. cern. ch/twiki/bin/view/Atlas. Results CMS public physics results: https: //twiki. cern. ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Physics. Results M. Mühlleitner: Supersymmetrie an Collidern http: //www-itp. particle. uni-karlsruhe. de/~maggie/susycolliders/aktuell. pdf I. Aitchinson: Supersymmetry and the MSSM: An Elementary Introduction http: //arxiv. org/abs/hep-ph/0505105 P. Labelle: supersymmetry De. MYSTi. Fie. D, Mc. Graw. Hill (2010) C. -E. Wulz 3 Ma. Laach, Sep. 2010

Gültigkeit des Standardmodells Das Standardmodell wurde bis O(100 Ge. V) 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 LUV (“ultraviolet cutoff”) für Gültigkeit des Standardmodells: LUV < MPlanck (Gravitationseffekte werden bei der Planckmasse signifikant) C. -E. Wulz 4 Ma. Laach, Sep. 2010

Stabilität der Higgsmasse Strahlungskorrekturen (Loop-Korrekturen): m. H 2 -> m. H 2 + Dm. H ~ L 2 UV 2 2 m. H sollte aber von der Ordnung der elektroschwachen Skala sein (v = 246 Ge. V) -> Korrekturen unnatürlich groß! f lf SS S lf , l. S … Kopplungen des Fermions bzw. des Skalars an das Skalar(Higgs)feld l. S C. -E. Wulz 5 Ma. Laach, Sep. 2010

Supersymmetrie Wenn die Kopplungen lf = l. S = l sind, löschen die gefährlichen quadratischen Termeeinander. Derlogarithmisch divergierende Term verbleibt klein, wenn m. F nicht zu groß, also der Ordnung O(1 Te. V), ist: Eigenschaften der supersymmetrischen Theorie • Verdoppelung des Teilchenspektrums • Gleichheit der fermionischen und bosonischen Kopplungskonstanten • C. -E. Wulz 6 Ma. Laach, Sep. 2010

Supersymmetrie Zu jedem Fermion des Standardmodells gibt supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. es einen SUSY ~ Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m = m Jedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß ~ Symmetrie gebrochen sein: _ m m SUSY-Transformation (Q, Q … SUSY-Generatoren, komplexe Weyl-Spinoren): Q |Fermion > = Boson, Q |Boson > = Fermion C. -E. Wulz 7 Ma. Laach, Sep. 2010

SUSY-Algebra Die SUSY-Algebra enthält die Generatoren Q sowie die Poincaré-Algebra mit folgenden Kommutationsregeln (Pm … 4 er-Impulsoperator, Mmn … 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. Wulz 8 Ma. Laach, Sep. 2010

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 Hu und Hd. C. -E. Wulz 9 Ma. Laach, Sep. 2010

Supermultipletts Eich-Supermultiplett W 0, B 0 mischen zu~ Z 0 und g. Die analoge Gauginomischung ergibt die ~ Eigenzustände Zino (Z) und Photino (g). Gravitations-Supermultiplett C. -E. Wulz 10 Ma. Laach, Sep. 2010

Teilchenspektrum im MSSM Teilchen Quarks (x 3 Familien) (u. L, d. L) u. R d. R Leptonen (x 3 Familien) (l. L, n. L) l. R Gluonen gl (l = 1, …, 8) Eichbosonen g, Z, W± Higgsbosonen h 0, H 0, A 0, H± C. -E. Wulz Spin 1/2 1 1 0 Superpartner Squarks (x 3 Familien) ~ ~ (u. L, d. L) u. R d. R Sleptonen (x 3 Fam. ) ~ ~ ~ (l. L, n. L) l. R Gluinos ~ gl (l = 1, …, 8) Neutralinos (k = 1, 2, 3, 4) ~0 ~0 ~ 0 ~ 0 ck ~ ak. W +bk B +ck. Hd +dk. Hu Charginos (j = 1, 2) ~ ± ~± ~ ± c ~ a W +b H j j 11 j Spin 0 0 1/2 1/2 u, d Ma. Laach, Sep. 2010

Supersymmetrische Vereinigung • 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 le ~ 1/me abgeschimt. Daher steigt aem mit steigender Masse: aem (0) = 1/137, aem (m. Z) = 1/128. C. -E. Wulz 12 Ma. Laach, Sep. 2010

Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten MGUT ~ 1016 Ge. V Die Kopplungskonstanten können innerhalb von SUSY vereint werden, nicht jedoch im Standardmodell. Wenn die Masse des SUSY-Partners in ~ ~ 1 Te. V liegt, dann gilt die GUT-Vereinigung bis der Größenordnung m zu 1016 Ge. V. C. -E. Wulz 13 Ma. Laach, Sep. 2010

m. SUGRA-Modell 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 m. SUGRA-Modell erfolgt die Übertragung durch Gravitationswechselwirkungen auf einer Skala von <F> ~ (1011 Ge. V)2 msoft ~ <F>/MPlanck MSSM hat 105 Parameter, m. SUGRA nur 5 [m 0, m 1/2, A 0, tanb (<Hu>/<Hd>), sgn(m)] -> experimentell “einfach” zu studieren! Typischerweise gilt: ~ ~ ~ m(c 1±) ~ m(c 20) ~ 2 m(c 10) C. -E. Wulz ~ ~ ~ > m(c) m(g) > m(q) 14 Ma. Laach, Sep. 2010

Massen m 0 … skalare Masse bei der GUT-Skala m 1/2 … Gauginomasse bei der GUT-Skala Parameterpunkt SU 3: m 0=100 Ge. V, m 1/2=300 Ge. V, A 0 = -300 Ge. V tanb=6, m>0 Elektroschwache Skala GUT-Massenvereinheitlichung C. -E. Wulz Beispiel für ein m. SUGRA-Massenspektrum 15 Ma. Laach, Sep. 2010

Schranken von LEP und Tevatron ~ ~± m (l, c ) > 62 -116 Ge. V ~~ m (q, g) > 89 -379 Ge. V ~ m (c = LSP) > 46 Ge. V CDF Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von mtop und mh ab. C. -E. Wulz 16 Ma. Laach, Sep. 2010

SUSY-Suchstrategie • Suche nach Abweichungen vom Standardmodell è leicht! • Messung der SUSY Massenskala MSUSY è leicht! • Messung der Modellparameter (z. B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) è schwierig! C. -E. Wulz 17 Ma. Laach, Sep. 2010

SUSY-Kaskaden Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen, die zu Endzuständen mit Leptonen, Jets und fehlender Energie führen. Typische Suchkanäle: hadronische (Jets + ETmiss), leptonische (Leptonenpaare gleicher/ungleicher Ladung, mehrere Leptonen, sowie Jets und/oder ETmiss). Beispiel eines ~qg~ Ereignisses: ~ q -> c~20 q ~ m m ~ ~ g -> qq ~ c 10 m c~1± q ~0 c e n 1 C. -E. Wulz 18 Ma. Laach, Sep. 2010

Inklusive Suche § Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks § Falls R-Parität R = (-1)2 S+3 B+L erhalten ist, findet man charakteristische Ereignisse durch Kaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlende Energie § Typische Selektion: NJet > 4, SUSY ET > 100, 50, 50 Ge. V, ETmiss > 100 Ge. V “Effektive Masse” Meff = ETmiss + ETJet 1 + ETJet 2 + ETJe 3 + ETJet 4 Beispiel: m. SUGRA m 0 = 100 Ge. V, m 1/2 = 300 Ge. V tan b = 10, A 0 = 0, m > 0 Standardmodell I. Hinchliffe et al. , hep-ph/9610544 C. -E. Wulz 19 Ma. Laach, Sep. 2010

SUSY-Massenskala Parameterpunkt SU 3: m 0=100 Ge. V m 1/2=300 Ge. V A 0 = -300 Ge. V tanb=6 m>0 MSUSY = 663 Ge. V Scatterplot für verschiedene SUSYModelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs -o- SUSY-Signal _ tt W ln, tn _ _ Z nn, tt Das Maximum der Massenverteilung von Meff 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: QCD jets C. -E. Wulz 20 Ma. Laach, Sep. 2010

m. SUGRA Entdeckungspotential m. SUGRA-Sensitivität mit rein hadronischer Signatur Hohe Effizienz, aber auch hoher Untergrund (QCD, Z+Jets, W+Jets). Hängt nur schwach von tanb ab. CMS Note 2010/008 m. SUGRA-Sensitivität mit isolierten Leptonen gleicher Ladung CMS Untergrund relativ klein (tt, falsch identifizierte Ladungen aus W etc. ) C. -E. Wulz 21 Ma. Laach, Sep. 2010

m. SUGRA Entdeckungspotential Multijet + ETmiss Signatur Erreichbare Squark- und Gluinomassen 1 fb-1 M ~ 1500 CMS Ge. V 10 fb-1 M ~ 1900 Ge. V 100 fb-1 M ~ 2500 Ge. V 22 C. -E. Wulz Andere SUSY Signaturen, z. B. Leptonen, b-jets, t‘s Ma. Laach, Sep. 2010

Bestimmung von SUSY-Parametern Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren C. -E. Wulz 23 Ma. Laach, Sep. 2010

Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss 1 CMS C. -E. Wulz 24 Ma. Laach, Sep. 2010

Rekonstruktion von SUSY-Teilchen Beispiel: Sbottom-Erzeugung (leichte Squarks analog) p ± p b b Endzustand: • 2 isolierte e /m (+/-) mit hohem p. T • 2 (b-) Jets mit hohem ET • ET miss ~ pp -> ~g -> bb (26 %) (35 %) (0. 2 %) C. -E. Wulz ± ~± l l ~ 0 + - (60 %) -> c 1 l l 25 Ma. Laach, Sep. 2010

Massenbestimmung von leichten Squarks (“Punkt B”) m 0 m 1/2 tan b A 0 sign m CMS 1 fb-1 100 Ge. V 250 Ge. V 10 0 + ~ ~ m(u. L, c. L, d. L, s. L ) ~ 540 Ge. V ~ = 595 Ge. V m(g) m(c~10) = 96 Ge. V m(c~20) = 175 Ge. V ~ m(b 1) = 496 Ge. V CMS 1 fb-1 ~ 0) bereits bekannt. Annahme: m(c 1 ~ p(c 20 ) aus Leptonen: C. -E. Wulz M. Chiorboli M(c~20 q) = (536± 10) Ge. V 26 Ma. Laach, Sep. 2010

Massenbestimmung von Sbottoms und Gluinos CMS 10 fb-1 ~ 0 bb) - = (594± 7) Ge. V M(c 2 M(c~20 b) = (500± 7) Ge. V C. -E. Wulz 27 Ma. Laach, Sep. 2010

SUSY-Higgssektor 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. C. -E. Wulz 28 Ma. Laach, Sep. 2010

Neutrale Higgsteilchen im MSSM PRODUKTION Direkte Produktion Assoziierte Produktion mit b-Quarks hohem tanb dominant bei ZERFALL h/H/A t+t- bb Dominant bei großem tanb, aber großer Untergrund h/H/A t+t. Großes Verzweigungsverhältnis, klarer Endzustand h/H/A m+m. Sehr kleines Verzweigungsverhältnis, klarer Endzustand, gute Massenauflösung C. -E. Wulz TYPISCHE ENDZUSTÄNDE Standardmodellähnliche Endzustände, aus VBF qq h/H t+t- und direkter Produktion mit h gg h/H/A t+t- 2 l + 4 n, l th + 3 n, 2 th + 2 n h/H/A m+m 29 Ma. Laach, Sep. 2010

Entdeckungspotential für h, H, A C. -E. Wulz 30 Ma. Laach, Sep. 2010

Geladene Higgsteilchen im MSSM Schweres H± (m. H± > mt) Leichtes H± (m. H± < mt) Untersuchte Endzustände: t. H+ bqq thn, tb. H+ bqq b thn Untersuchte Endzustände: b. H+b. W b th(l)n b qq, b thn b ln Rekonstruktion des Tops essentiell! MT > 100 Ge. V C. -E. Wulz 31 Ma. Laach, Sep. 2010

H± Entdeckungspotential 2009 D 0 mhmax 5 s Konturen bei 1, 10 und 30 fb-1 C. -E. Wulz 32 Ma. Laach, Sep. 2010

Zusätzliche Dimensionen Unser bekanntes Universum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension Stringtheorie: mindestens 6 zusätzliche Dimensionen Seiltänzer: 1 Dimension Ameise: 2 Dimensionen (2. Dimension aufgerollt) Gravitation scheint 10 -38 mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften! Mögliche Lösung dieses Hierarchieproblems durch Extradimensionen. C. -E. Wulz 33 Ma. Laach, Sep. 2010

Modelle mit Extradimensionen 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. Gravitation Unterschiede der verschiedenen Modelle: • Größe und Geometrie des Bulk • Teilchenarten, die sich im Bulk ausbreiten dürfen unser 3+1 -dimensionales Universum Gravitation Extra-Dimension C. -E. Wulz 34 Ma. Laach, Sep. 2010

ADD-Modell – große Extradimensionen Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, ar. Xiv: hep-ph/9803315 v 1 Nicht mehr die effektive 4 -dim. Planckskala, sondern die Quantengravitätsskala der höherdimensionalen Theorie MD ist relevant. Die einzige fundamentale Skala soll die elektroschwache Skala MEW ≈ MD ≈ 1 Te. V sein! • Bekannte Teilchen leben in der 3+1 dimensionalen Brane • Graviton kann sich auch im Bulk bewegen • Es gibt d≥ 2 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 KKTurm mit 3+1 -Massenspektrum Ml = l/R (l = 0, 1, 2, …). C. -E. Wulz 35 Ma. Laach, Sep. 2010

Graviton-Suche am LHC Gravitonen können sich ungehindert auch in den Extra-Dimensionen ausbreiten. Mit der Energie des LHC sollte es möglich sein, WW von Teilchen in unserer Brane bei Abständen von ca. 10 -15 m (Protondurchmesser) zu untersuchen. Diese Distanzen liegen vielleicht in der gleichen Größenordnung wie die Radien der aufgerollten Dimensionen. Graviton Rückstoßprodukte Signal in den Detektoren: fehlende Energie! Diese kann aber auch von Neutrinos oder Neutralinos stammen, deshalb sind Modellberechnungen nötig. C. -E. Wulz 36 Ma. Laach, Sep. 2010

Randall-Sundrum Modell (Warped Extra Dimensions) Randall, Sundrum, PRL 83 (1999) 3370 5 D-Modell mit Metrik: hmn … Gravitonfeld Davoudiasl, Hewett Rizzo, PRD 63, 075004 4 D C. -E. Wulz 4 D 37 Ma. Laach, Sep. 2010

Schwarze Löcher Definition: Objekt, dessen Gravitation so stark ist, dass selbst Licht nach außen gelangen kann. Ab dem Ereignishorizont ist die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit. Der Schwarzschildradius definiert die Größe eines schwarzen Lochs (MSL > MP): Wenn die Gravitation bei kleinen Distanzen durch Extradimensionen groß wird (MP -> MD), könnte der LHC auch mikroskopische Schwarze Löcher (Ø 10 -18 m) produzieren. Die kollidierenden Partonen müssten sich auf Distanzen kleiner als 2 RS annähern. Die schwarzen Löcher sollten jedoch sehr schnell (~10 -26 s) durch Hawking-Strahlung verdampfen (TH ~1/MSL), unter Erzeugung aller möglichen Standard-modellteilchen. Signatur am LHC: viele Jets und Leptonen mit hohem p. T. C. -E. Wulz 38 Ma. Laach, Sep. 2010