05.02.2007Suche nach Supersymmetrie am LHC Christoph Adolph Betreuer: Prof. Dr. U. Katz...

05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC

Suche nach Supersymmetrie am LHC

Christoph Adolph

Betreuer: Prof. Dr. U. KatzScheinseminar Astro- und Teilchenphysik

WS 2006/2007

05.02.2007

05.02.2007 Suche nach Supersymmetrie am LHC 2

Inhalt

• Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus / Was ist Supersymmetrie?

• LHC,CMS und ATLAS

• Suche nach Supersymmetrie am LHC


Warum reicht das Standardmodell nicht mehr aus

• keine Gravitation

• keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

• Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt

• keine Lösung des Hierarchieproblems


Mögliche Lösung: Supersymmetrie

Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mitSpinunterschied ½.

Standardmodell Supersymmetrie


Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

• Größenordnung der SUSY-Brechung bei

SUSYM ~ 1TeV

sichtbar am LHC


R-Parität

Allgemeines Superpotential kann Terme mit Baryonen- bzw. Leptonenzahlverletzung enthalten

Abhilfe: R-Parität 3 B L 2SR 1

SM-Teilchen: R= +1SUSY-Teilchen: R= -1

• multiplikative Quantenzahl

• in vielen SUSY-Modellen erhalten


Konsequenzen der R - Paritätserhaltung

• SUSY-Teilchen werden nur in Paaren erzeugt• Das leichteste SUSY-Teilchen ist stabil und in den

meisten Modellen schwach wechselwirkend

LSP 01 (leichtestes Neutralino)

guter Kandidat für kalte dunkle Materie

verhält sich wie entkommt Detektor

ETmiss typische SUSY Signatur


Das Hierarchie -/Natürlichkeitsproblem

im SM: Korrekturen der Higgs-Masse (u.a.) hängen quadratisch von der Massenskala ab, d.h.

Korrekturen unnatürlich groß

mit SUSY: quadratische Kor-rekturen kürzen sich, da im Idealfall m m

ABER: noch keine SUSY Teilchen gefunden SUSYm m M ~ 1TeV


SUSY-Brechung

• noch keine SUSY-Teilchen beobachtet mSUSY > mSM SUSY gebrochen

• aber quadratische Divergenzen der Fermionen und Bosonen sollen sich aufheben (Higgsmasse)

nur schwache Brechung

Folge: Minimales Supersymmetrisches Modell (MSSM) mit 105 neuen Parameter!


SUSY-Brechung

Modell der SUSY Brechung:

• Symmetriebrechung geschieht in einem verborgenen Sektor

• Wechselwirkung zwischen verborgenem und sichtbarem Sektor

Arten der Wechselwirkung:

• Brechung durch Gravitation: mSUGRA

• Brechung durch Eichfelder: GMSB


Das mSUGRA Modell

• Vereinfachung des MSSM auf 5 freie Parameter:– m1/2 universelle Masse der Gauginos

– m0 universelle skalare Masse

– A0 universelle Kopplung– tan Verhältnis der Vakuumserwartungswerte der

Higgsfelder– sgn(µ) Vorzeichen des Higgsino-Mischungsparameter

• Verbindung mit allgemeiner Relativitätstheorie

Vorteil:• überschaubarer Parameterraum

häufig benutztes Modell


Der Parameterraum

• SUSY-Massen hauptsächlich durch m1/2 und m0 festgelegt

• tan und sgn(µ) betreffen den Higgs-Sektor

• meistens A0=0

Betrachtung der m1/2-m0-Ebene für einige tan und sgn(µ)


Erlaubte Bereiche in der m1/2-m0-Ebene für verschiedene Einschränkungen

tan=35 tan=50


Unter Einbeziehung der verschiedenen Annihilationskanäle und den Einschränkungen aus WMAP-Datenanalysen, lässt sich der Parameterraum in mSugra-Modellen in fünf ver-schiedene Regionen unterteilen:1. Bulk-Region: 2. focus-point-Region:

oder 3. A-Resonanz-Region:

4. h-Resonanz-Region: Stark vontop-Quarkmasse abhängig

5. Stau-Koannihilationsregion:

mSugra + WMAP

z.B.


Schranken von LEP und Tevatron

• Squarks, Sleptonen und Gluinos schwererals Charginos und Neutralinos

• Derzeitige Massenlimits:m (l, ) > 90-100 GeV LEP IIm (q,g) > 250 GeV Tevatron

Run Im (= LSP) > 47 GeV LEP II

~

~~


Der LHC

LHC

SPS

CMSCMS

TOTEMTOTEM

ATLASATLAS

ALICEALICE


Technische Daten

• Proton-Proton Ringbeschleuniger• 2835x2835 Bunches mit 1011 Protonen/Bunch• Crossing Rate 40 MHz• ~ 107-109 Kollisionen/s• 14 TeV Schwerpunktenergie• 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde• 1232 15m lange, supraleitende Magnete (8,33T)• finale Luminosität L= 1034 cm-2 s-1

(vgl. TEVATRON L ~1031 cm-2 s-1 )


CMS


CMS - Aufbau


ATLAS

Durchmesser 25 mLänge des zentralen Toroiden 26 mGesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 mGesamtgewicht 7000 t


Suchstrategie

1. Suche nach Abweichung vom Standardmodell, z.B. ETmiss

und Identifikation als SUSY

2. Bestimmung der SUSY Massenskalaz.B. effektive Massenverteilung

3. Bestimmung der ModellparameterStrategie: Selektion spezieller Zerfallsketten, Suche nach kinematischen Endpunkten, um Massen-kombinationen zu bestimmen (schwierig!)


Suche nach Supersymmetrie am LHC

• Squarks und Gluinos werden über starke Wechsel-wirkung produziert

• Zerfall in Leptonen, Hadronenjets und LSP ETmiss

2l + 6j + ETmiss 2l + 2+ 6j + ET

miss


Suche nach Abweichungen vom Standardmodell

• Kaskadenzerfälle in das LSP: Suche nach mehreren Jets und fehlender transversaler Energie

• Typische Selektion: Njet > 4 ET > 100, 50, 50, 50 GeV ET

miss > 100 GeV

• Bestimmung der „effektiven Masse“Meff = ET

miss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4


m0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan = 10, A0 = 0, > 0

Erwartete Ergebnisse

SM

SUSY

Erreichbare Squark- und Gluino Massen am LHC:

1 fb-1 M ~ 1500 GeV 10 fb-1 M ~ 1900 GeV 100 fb-1 M ~ 2500 GeV

Supersymmetrie im Bereich von einigen

TeV kann schnell gefunden werden


Erwartete Ergebnisse

Multijet + ETmiss Signatur

andere SUSY Signaturen, z.B.Leptonen, b-jets, ‘s


Bestimmung der SUSY Modellparameter

• Unsichtbares LSP, daher keine vollständige Massen-rekonstruktion möglich

• Einfachster Fall 02 0

1 + - M ≤ M(02) - M(0

1)

(signifikanter Zerfall, wenn keine 02 → 0

1Z1h Zerfälle auftreten)

• Auswahl: 2 isolierte Leptonen, Jets und große ETmiss


Bestimmung der SUSY Modellparameter

• Kante im Dilepton-Spektrum Hinweis auf Produktionvon 0

2 Hinweis auf SUSY

• Durch Anwendung geeigneter Cuts (z.B. ET

miss>150GeV)geringer SM-Untergrund

• Entdeckung möglich ab Lint = 10fb-1


02 0

1h, h bb

• Unterdrückung des SM-Hintergrundes durch

geeigneten Cut bei ETmiss


Zusammenfassung

• Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells und löst viele Probleme.

• Falls Supersymmetrie existiert, sollte sie am LHC gefunden werden.

• Theoretisch nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, um evtl. ein Signal zu finden (bei voll verstandener

Technik).


Literatur

• A.V.Gladyshev, D.I.Kazakov: Supersymmetry and LHC[hep-ph/0606288]

• CERN Summer Student Lectures http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7

• John Ellis: Beyond the Standard Model for Hillwalkers[hep-ph/9812235]

• Discovery potential for supersymmetry in CMS[hep-ph/9806366]

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