Tommaso Lari Universit and INFN Milano Misura di

Tommaso Lari Università and INFN Milano Misura di massa delle sparticelle ad LHC 15 aprile 2004 Massimiliano Chiorboli

Supersimmetria a LHC l l Tuttora il modello di “Fisica oltre il Modello Standard” piu’ promettente e studiato. Scenario tipico: produzione di s-particelle colorate (squarks e gluini) che decadono nella s-particella piu leggera ( 01). l l l La massa di tali particelle dovrebbe essere minore di ca. 1 Te. V per mantenere una delle principali motivazioni della teoria (stabilizzare la scala elettrodebole senza fine-tuning). La particella SUSY piu leggera dovrebbe essere stabile e debolmente interagente per spiegare la materia oscura Tipica segnatura: getti, energia mancante, leptoni. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 2

Cronologia SUSY a LHC l l Fase 1 (Ricerche inclusive): Osservare un eccesso di eventi con getti + energia mancante + leptoni, convincersi che sono dovuti a “nuova fisica”. Attualmente: Studiare il potenziale di scoperta SUSY/√SM delle analisi con uno scan dello spazio dei parametri (talk Galanti) Fase 2 (Spettroscopia SUSY): Ricostruire i decadimenti e le masse delle s-particelle per determinare il meccanismo di rottura di supersimmetria ed i parametri della teoria. Attualmente: Su un punto nelo spazio dei parametri, sviluppare analisi per ricostruire le masse. Le analisi sono (dovrebbero essere) utili in una vasta regione dello spazio dei parametri, e non essere specifiche del modello particolare. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 3

Ricerche inclusive l l Maggiori dettagli nel talk di Galanti. La “Massa efficace”: Jets + ETmiss + 0 leptons ATLAS 10 fb-1 Meff =S|p. Ti| + ETmiss. e’ utile per discriminare SM e SUSY e ha un picco fortemente correlato (almeno in m. SUGRA) con la massa delle s-particelle primarie prodotte nella collissione pp. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 ATLAS 10 fb-1 4

Potenziale di scoperta Per M(SUSY) < 1 Te. V la scoperta sara’ potenzialmente molto rapida (limitata dal tempo necessario a capire i fondi del MS) l T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 5

Ricerche esclusive l Mi concentrero’ sulle tecniche di ricostruzione per alcuni punti selezionati dello spazio dei parametri m. SUGRA: l l Punto 5 – ATLAS Physics TDR Punto 5 a - ATL-PHYS-2004 -011 Simulazione completa SPS 1 a – ATL-PHYS-2004 -007 B (G, H) – CMS NOTE 2004 -029 Le stesse tecniche sono applicabili per molte altre (ma non tutte) scelte dei parametri. l Non pretendero’ di descrivere tutte le possibili analisi per tutti i possibili punti/modelli studiati! (Vedi anche la presentazione di Galanti) l T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 6

Un tipico scenario (m. SUGRA) CMS ATLAS Punto B SPS 1 a 5 a M 0 100 100 M 1/2 250 300 tan b 10 10 6 M + + + A 0 0 -100 -300 M(u) 537 s (pb) 58 All masses/energies in Ge. V T. Lari Misure di massa delle sparticelle m. SUGRA B WMAP allowed Questi punti sono scelti nella regione dello spazio dei parametri che da’ una densita’ ragionevole (non troppo alta) di materia oscura e a scale SUSY basse (naturalezza, alta sezione d’urto a LHC). Catania 31 Marzo 2005 7

Il decadimento d’oro Il decadimento leptonico del neutralino e’ il tipico punto di partenza per la ricostruzione delle masse p p q~ ~ g q q ATLAS Physics TDR e+ e- + m+ m- ~ 02 ~ 01 ~ l l l ATLAS 5 fb-1 FULL SIM 30 fb-1 atlfast Point 5 a Point 5 Precisione ottenibile sull’edge con 30 fb-1 : 0. 5% Mll (Ge. V) T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 8

Selezione di eventi SUSY Si puo’ far fuori il MS con tagli su getti ed energia mancante. Il fondo MS+SUSY residuo si puo’ sottrarre con le coppie e+ m- + m+ e. CMS Punto B 10 fb-1 ETmiss >50 Ge. V SUSY ttbar Z+jets ETmiss >100 Ge. V ETmiss >150 Ge. V 2 b-getti + 2 leptoni SFOS T. Lari Misure di massa delle sparticelle 2 b-getti + 2 leptoni SFOS + energia mancante 9 Catania 31 Marzo 2005

Ulteriori combinazioni: qll edge p p q g~ q~ q ~ 02 ~ 01 ~ l l l ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 The two lepton are combined with one of the two hardest jets (the combination with the smaller invariant mass) T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 10

Ulteriori combinazioni: ql min p p q g~ q~ q ~ 02 ~ 01 ~ l l l ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 When only one qll combination is Below the edge (the ambiguity on the right jet) the two ql combinations (with lower and larger invariant mass) give two further edges. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 11

ql max p p q g~ q~ q ~ 02 ~ 01 ~ l l l ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 12

qll (soglia) p p q g~ q~ q ~ 02 ~ 01 ~ l l l ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 TDR ATLAS ll edge Minimum qll invariant mass, from the jet-dilepton combination with the larger invariant mass. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 13

Masse Avendo 5 relazioni per quattro masse e’ possibile risolvere le equazioni (forti correlazioni tra I valori delle masse). ATLAS, 100 fb-1 ~ 0 ~ l. R 1 ATLAS ~ 0 2 T. Lari Misure di massa delle sparticelle ~ q. L Sparticle Expected precision (100 fb-1) ~L q 3% ~ 02 6% l~R 9% ~ 01 12% Catania 31 Marzo 2005 14

SUSY 2008? Results with detailed simulation ATLAS Point 5 a 5 fb-1 llq llb ATLAS Point 5 a 5 fb-1 llq ? llb llq threshold ll edge llq edge Si possono ottenere risultati significativi anche con pochi fb-1 La simulazione dettagliata da’ generalmente i risultati attesi dagli studi in simulazione veloce Tre relazioni su quattro masse. Anche l’edge tt e m(q. R) possono essere ricostruiti. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 15

Risalire la catena di decadimento Una volta che la massa del 01 e’ conosciuta, e’ possible ottenere l’impulso del 02 usando p( p( 02) = ( 1 -m( 01)/m(ll) ) pll valida per coppie di leptoni con massa invariante vicino val ~ all’edge. ATLAS SPS 1 a Il 02 puo’ essere combinato con getti b 100 fb-1 per ottenere la massa del gluino e dello sbottom: ~ ~ g → bb 02 La combinazione con ~ getti non belli (veto) da’ la massa degli squark udcs (CMS). T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 16

Gluino e sbottom: ATLAS M( b) Combinazioni corrette. ~ ~ m(g) e m(b) correlati. L’errore ~ dominante viene dall’impulso del 02 ) ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 ~0 Bad 2 b combinations (b-jet is from gluino decay) M( bb) T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 17

Massa del gluino (ATLAS) ATLAS SPS 1 a 300 fb-1 Massa del gluino. ATLAS SPS 1 a Dipendenza dalla massa della LSP. Quella che e’ realmente misurata e’ la differenza: m(g)-0. 99 m( 01) = (500. 0 ± 6. 4) Ge. V with 300 fb-1 Error is statistical plus (dominant) 1% uncertainty on jet energy scale Central value 10 Ge. V lower than nominal because b-jet energy underestimated T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 18

Massa dello sbottom ~ 0 bb) and~m( 0 b) strongly correlated : use the difference m( 2 2 ATLAS SPS 1 a 300 fb-1 Con 300 fb-1 potrebbe essere possibile separare i picchi dei due ~ b ~ ~ m(g)-m(b 2) = (70. 6 ± 2. 6) Ge. V m(g)-m(b 1) = (103. 3 ± 1. 8) Ge. V T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 19

Squarks e sbottom (CMS) ~ m(q) = (536 ± 10) Ge. V CMS Point B 1 fb-1 ~ m(b) = (500 ± 7) Ge. V CMS Point B 10 fb-1 ~ varia Anche CMS assume nota m( 01 ), rispetto alla quale m(q) linearmente (ma il coefficiencte e’ 1. 6 mentre ATLAS trova ~1. 0). ~ e m(b) ~ – gli errori di cui sopra sono m( 01) domina l’errore su m(q) in realta’ sulla differenza delle masse e sono solo statistici. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 20

Risoluzione sulle masse Solo errori statistici (in Ge. V) normalizzati a 10 fb-1 ATLAS SPS 1 a M 0 = m( 01) CMS Punto B Notare che sono Due punti diversi! 26 3 1. 7 DM 0 m(q) m(g) 13 DM 0 7 1. 6 DM 0 m(g)-m(b) 5 3 L’errore sulla massa del neutralino e’ il contributo dominante all’incertezza sulle altre masse (il linear collider aiuterebbe…). Ad alta statistica l’errore sulla scala di energia dei getti (1%) diventa dominante sull’errore statistico. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 21

Right-handed squark q~R does not couple to Wino ~01 is nearly a Bino ~02 is nearly a Wino ~0 q~R → q 1 Il momennto trasverso dei due getti piu’ energetici e’ combinato con il momento trasverso mancante come segue: ATLAS SPS 1 a 30 fb-1 ~0 Il massimo e’ m(q~R)-m( 1) ~0 m(q~ R)-m( 1) = (424. 2 ± 10. 9) Ge. V ~ Note: can reconstruct l. L → l ~ 0 1 with same technique ~ ~0 m(l. L)-m( 1) = (106. 1 ± 1. 6) Ge. V T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 22

(Alcune) Altre misure o 2 tt 01 tt Diventa dominante ad alti tanb, sopprimendo il decadimento in elettroni/muoni. Si puo’ comunque trovare l’endpoint con una precisione di alcuni Ge. V. ATLAS SPS 1 a 30 fb-1 o 2 h 01 bb 01 Il picco di massa invariante bb puo’ essere ricostruito ed usato per ulteriori combinazioni di masse. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 Massa invariante tt 23

Altri punti dello spazio dei parametri Limiti piu’ stringenti sull’Higgs e misure piu’ precise della densita’ di materia oscura hanno notevolmente ridotto lo spazio dei parametri disponibile. M 1/2 (Ge. V) Large scalar mass: heavy squarks and sleptons. Relatively low gaugino mass. Low m, large Higgsino/Bino mixing low density of relic neutralinos, compatible with WMAP limits. Di recente alcuni punti meno facili sono stati studiati da ATLAS nelle code ad alte scale di massa della regione m. SUGRA compatibile con la densita’ di Materia Oscura. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Coannichilation Focuspoint Punti studiati No EWSB solution Catania 31 Marzo 2005 M 0 (Ge. V) 24

Spettro di massa Focuspoint Coannichilazione Caratteristica peculiare: sleptoni vicini in massa ai due neutralini piu’ leggeri: leptoni lenti nel decadimento del o 2. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Squark e sleptoni pesanti ( ~3 Te. V). Higgs pesanti - eccetto h Gluino leggero (830 Ge. V), decade in chargini e neutralini Catania 31 Marzo 2005 25

Punto di coannichilazione ATLAS SPS 1 a 100 fb-1 E’ possibile ricostruire anche l’edge tt e diversi edge leptone-getti. Questo punto verra’ studiato anche con la simulazione dettagliata nei prossimi mesi q x. ET > 200 Ge. V -1 q 2 SF/OS leptons Pt 1>20 Ge. V, Pt 2>10 Ge. V (10 fb ), verificando le q >1 jets with Pt>150 Ge. V prestazioni di ricostruzione = q OS/OF subtraction di leptoni lenti. T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 26

Focus-point Decadimento diretto 0 n → 01 ll I due edges danno m( 0 n)-m( 01). Altre informazioni potrebbero essere ottenute dalla forma della distribuzione e dal rapporto (BRs) tra i diversi decadimenti. Il picco della massa 0 → ll efficace e la ricostruzione 0 0 Z 2 → 1 ll della massa invariante tb e tt da g tb (tt) permettono di stimare la massa del gluino. Z → ll 0 03 → 0 01 ll 3 → 1 ll T. Lari Misure di massa delle sparticelle Anche questo punto verra’ studiato con la simulazione dettagliata. Catania 31 Marzo 2005 27

Conclusioni Per punti favorevoli dello spazio dei parametri, LHC sara’ in grado di ricostruire gran parte dello spettro SUSY con precisioni dell’ordine di alcuni Ge. V. Diverse (combinazioni di) masse potrebbero essere ottenute gia’ nel primo anno. l La maggior parte degli studi fino ad ora sono stati fatti con la simulazione veloce. L’enfasi si sta spostando sulla simuazione dettagliata, lo studio degli effetti sistematici, la stima dei fondi a partire dai dati, la migrazione delle analisi nello stesso framework usato per la ricostruzione…. . l Nuove regioni dello spazio dei parametri, che rispettano I nuovi limiti sulla densita’ di materia oscura, stanno venendo studiati. l T. Lari Misure di massa delle sparticelle Catania 31 Marzo 2005 28

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