Prospettive di fisica a LHC Parte IV Ricerca

Prospettive di fisica a LHC Parte IV: Ricerca di segnali di supersimmetria: - fenomenologia dei modelli in cui la rottura di simmetria e’ “gravity madiated” ovvero “gauge madiated” - ricerca di chargini e neutralini, s-leptoni e s-quarks in stati finali con topologie multi-leptoniche e con multi-jets ed energia mancante. - decadimenti a catena di particelle supersimmetriche - decadimenti dell’ Higgs in particelle supersimmetriche leggere - esempi di “altra” (non SUSY) nuova fisica: - Z’ - segnature da extra-dimensions. . . U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 1

“Segnature” di SUSY Nel MSSM, e comunque in tutti i modelli in cui il numero quantico “R-parity”: R = (-1)3(B-L) +2 S (B=n. barionico, L=n. leptonico, S=spin : R=+1 per particelle ordinarie, R=-1 per s-particelle) e’ conservato, la “lightest supersimmetric particle” (LSP: puo’ essere ad esempio il neutralino 01, o il gravitino) e’ stabile => segnatura di energia mancante nell’ apparato In generale, tale segnatura e’ accompagnata da elevata attivita’ adronica (multi-jets), dovuto a s-quarks e s-gluoni copiosamente prodotti nei processi supersimmetrici Le sezioni d’urto implicate, per valori non troppo alti delle masse degli s-quarks, sono elevate => possibile scoperta nei primi mesi di LHC U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 2

Ricerca SUSY a LHC Tipico evento di SUSY: ET Il “physics reach” a LHC viene riportato nel piano (m 0, m 1/2) U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 3

Ricerca SUSY a LHC (II) Large di-leptons signals may show up quite early…e. g. in neutralino decay chain: challenge for detector readness m. SUGRA p 10 fb-1 1 fb-1 sbottom chain p. T 1, 2 >15 Ge. V ETmiss>100 Ge. V 10 fb-1 sbottom U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo tanb =2 m 0, m 1/2=110, 190 4

s-particle signals : Reconstruction of sbottoms, squarks and gluinos: p b b p isolated §§ 2 high pt b jets leptons OS = e, m) leptons OS § 2 (leptons high pt isolated § (leptons 2 high pt=non-b e, m) jets missing EEtt §§ missing SM bkg: tt, Z+jet, W+jet, ZZ, WW, ZW, QCD jets U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 5

Ricostruzione di una tipica catena di decadimento m ’-m U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 6

02 reconstruction: p b b p 10 fb-1 U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 7

SUSY nel settore di Higgs il segnale di h 0 dovrebbe sempre essere trovato: stessa tecnica (stessi problemi. . . vedi sopra) di HSM gg al di sotto di questo “triangolo” nel piano (m. A, tan ) si rischia di avere una sola “segnatura” disponibile. . nuove idee per coprire la regione a bassi tan - alti m. A U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 8

Higgs light sparticles … interesting coupling: ~0 A H 0 ~0 Z = 0 (neutralinos) = 0 doesn’t work for SM, but remember SUSY … Most promising decay channel: A, H 20 20 4 l + ETmiss l+ l- 10 U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 9

Higgs decays in s-particle modes The signature looks like: 4 isolated leptons (e, m) + ETmiss powerful signature against the SM + SUSY backrounds @ LHC fb intermediate sleptons U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo s x BR 10

A 0, H 0 02 02: selection criteria U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 11

A 0, H 0 02 02: kinematical distributions main SM background kept U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 12

A 0, H 0 02 02: specific case study U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 13

A 0, H 0 02 02: typical discovery reach A/H 4 leptons seems to prefer low tan , complementary to A/H !! U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 14

Higgs from Susy production mechanisms So we tried new decay modes … what about new production mechanisms? try to exploit MSSM Higgs bosons production in SUSY particle cascades Possibili scenari di cascate (ricca spettroscopia. . . ) U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 15

Higgs from Susy production : cascade scenarios Initiated by s-quarks: Scenario 1 (big cascades) q~ Scenario 2 (little + big cascades) q~ (720 Ge. V) (1080 Ge. V) g~ (900 Ge. V) g~ (600 Ge. V) ~ ~ ~ (340 Ge. V) ~ h 0, H 0, A 0, H± ~ ~ ~ (480 Ge. V) h 0, H 0, A 0, H± ~ ~ (270 Ge. V) (170 Ge. V) (95 Ge. V) h 0 ~ (145 Ge. V) In taluni spettri (e. . g. M(bjet-bjet) ) si potrebbero vedere contestualmente 2 16 particelle di Higgs (segnatura “spettacolare” di SUSY) (vedi dopo)

Higgs from Susy production : cascade scenarios Initiated by gluinos: Scenario 3 (big cascades) Scenario 4 (little cascades) g~ (1200 Ge. V) q~ (800 Ge. V) ~ h 0, ~ ~ ~ (375 Ge. V) H 0 , A 0 , ~ ~ U. Gasparini g~ (1200 Ge. V) ~ ~ (1000 Ge. V) ~ q~ ~ H± (150 Ge. V) (110 Ge. V) Corso SM, Dottorato, XX ciclo (800 Ge. V) ~ (400 Ge. V) h 0, H 0, A 0, H± ~ (200 Ge. V) 17

Higgs from Susy production : s x BR Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 m. A =150 Ge. V tan = 5 U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 18

Higgs from Susy production : jets multiplicity Jet multiplicity in SUSY cascade signal vs. SM tt- background U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 19

Higgs from Susy production : Ejet. MAX ET (hardest jet) in SUSY cascade signal vs. SM tt- background U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 20

Higgs from Susy production : missing ET Missing ET in SUSY cascade signal vs. SM tt- background U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 21

Higgs from Susy production : total ET Total transverse energy in SUSY cascade signal vs. SM tt background: U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 22

Selection criteria for neutral Higgses • we require the event to contain at least 5 jets • the hardest jet in the event should have ET > 300 Ge. V • the transverse missing energy ETmiss > 150 Ge. V • the effective mass > 1200 Ge. V • the event should contain at least two b-tagged jets, with 45 Ge. V < ET < 120 Ge. V. b-tagged means that both jets should contain at least two tracks with s(ip) = ipxy/Dipxy > 3. U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 23

Results: scenario 1 30 fb-1 : susy signal : susy bkg : SM tt bkg Non molto incoraggiante. . . tuttavia, altri scenari sono piu’ promettenti: U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 24

Results: scenario 2 h 0 30 fb-1 : susy signal : susy bkg : SM tt bkg U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 25

Results: scenario 3 h 0 30 fb-1 H 0 , A 0 : susy signal : susy bkg : SM tt bkg U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 26

Results: scenario 4 h 0 30 fb-1 H 0 , A 0 : susy signal : susy bkg : SM tt bkg U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 27

Altri esempi di nuova fisica Kaluza-Klein excitation of the graviton In Randall-Sundrum model Additional heavy neutral gauge boson (e. g. from Sequential Standard. Model) different graviton couplings Detectable through their leptonic decays U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 28

Esempi di nuova fisica: Kaluza Klein models Compattificazione delle extra-dimensions dello spazio-tempo a “grande” scala => eccitazione di bosoni di gauge a energie dell’ordine del Te. V Massa di-leptoni U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 29

Esempi di nuova fisica: Z’ U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 30

Esempi di nuova fisica: Z’ High mass resonances: they may show up early… generated 0. 1 fb-1 Reconstructed (full CMS simulation + reconstruction) Challenge for readiness of alignment, Reconstruction of “Te. V muons”, optimization against muon showering…. U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 31

Considerazioni conclusive LEP ha lasciato una “ingombrante” eredità a LHC: - il Modello Standard funziona molto bene, più di quanto nessuno fosse disposto a scommettere per una teoria efficace vent’anni fa. . . - l’unico mattone fondamentale mancante, l’Higgs, è (forse) dietro l’angolo: probabilmente proprio dove per LHC è più difficile trovarlo (e anche il Tevatrone farà fatica. . . : una bella sfida ! ) - ci sono indizi di Super. Simmetria, ma le ricerche dirette non hanno dato esito: s-quarks, s-leptoni, gaugini daranno chiare segnature a LHC; per il settore di Higgs, almeno un bosone del MSSM, se c’è, verrà scoperto; tuttavia, la completa copertura dello spazio dei parametri richiederà 100 fb-1 (regione più difficile: 3< tg < 10, 120 < MA < 220 Ge. V ) U. Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo 32