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HSCP a CMS

PD Software meeting 7 ottobre 2008

a.meneguzzo

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Interesse a Heavy Stable Charged Particle a CMS

Vedremo che varie teorie prevedono HSCP.HSCP sono individuate rispetto altre particelle

da un basso valore di Beta: misurando Beta si riesce a ottenere con opportune selezioni il segnale (se c’e’) con fondo nullo a una luminosita’ integrata relativamente bassa . Quindi se ci sono, sono processi che permettono di vedere nuova fisica nel ~primo anno di funzionamento o ad escluderla.

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The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) needed for 3 events, for the four signal models(gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. Theright plot shows the mass distribution with 1 fb−1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tauand 800 GeV stop).

Risultati finali di simulazione e analisi ( trigger e ricostruzione ) di HSCP in CMS ( CMS_AN note 2007/049)

Zero background con la selezione prevista

plots della luminosita’ integrata per avere 3 eventi : i.e. luminosita’ int. necessaria per la scoperta o l’esclusione al 95% C.L. [ blu,rosso, verde,giallo diversi tipi HSCP]

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HSCP Outline

Introduzione Modelli

Trigger and skimming

Misura di Beta

Selezione degli Eventi

Risultati

Conclusione

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Cosa sono le Heavy Stable Charged Particles?

Pesanti m>= 100 GeV

Stabili = vita media lunga= ctau > alcuni metri

Cariche = elettricamente or coloured (formano adroni)

Come si possono rivelare?

essendo pesanti sono anche lente

si misura il tempo di volo e/ o si misura la ionizzazione

HSCP : Introduzione

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Modelli con particelle di tipo leptonico :

KaluzaKlein tau resonance (m=300 GeV)

stau (m=156 -247 GeV) in GMSB (Gauge Mediated Supersymmetry

Breaking ) Produzione del stau procede direttamente via un fotone virtuale o Z oattraverso la produzione di particelle supersimmetriche( principalmente squarks e coppie di gluini)

Modelli con adroni:

long lived stop in some SUSY scenarios (m=[130,800] GeV)

long lived gluino in split SUSY (m=[200,1500] GeV)

CMS ha svolto un’analisi su HSCP previste da quattro modelli che individuano e caratterizzano le diverse possibili HSCP

Modelli Particelle HSCP sono possibili in Teorie Supersimmetriche (sleptoni o particelle con carica forte che adronizzano formando mesoni, barioni e glueballs), oppure con extra_dimensioni -> KaluzaKlein-parita ; uno o piu’ nuovi stati esistono e posseggono un nuovo numero quantico globale conservato o quasi conservato . Il piu’ leggero di questi nuovi stati sarebbe stabile grazie a questo nuovo numero quantico A LHC potrebbero essere prodotte in coppia o potrebbero essere il prodotto finale di decadimento di particelle esotiche piu’ pesanti .

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Eventi generati e loro simulazione in CMS

Sono stati prodotti eventi secondo le teorie (Kansas Uni, Louvain)

codice sviluppato ad hoc per avere adronizzazionee interazione di gluino/stop nel rivelatore. Barrel

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Anche se KK tau e GMSB stau hanno simile comportamento leptonico le proprieta’ cinematiche dell’evento sono abbastanza diverse

La distribuzione in Eta e’ piu’ “centrale” per stau

L’energia trasversa mancante Et e’ quasi zero per il KK scenario e alta per quello GMSB .

ETA BETA

ETmissPt

Topologia degli eventi ricostruiti in CMS

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Gluino e Stop prevedono masse piu’ alte e quindi a parita’ di momento velocita’ piu’ bassa

Stop BETAGluino R_hadron BETA

Stau kk BETA

Topologia degli eventi ricostruiti in CMS

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Analisi:

le strategie di individuazione del segnale rispetto al fondo sono diverse a seconda delle caratteristiche delle HSCP

Ci si aspettano tre segnature leggermente differenti;

• Leptoniche ,massive e cariche (stau, KK-tau)

• Charge flipping e massive (stop, gluino)

• Charge flipping ,massive ma sempre prodotte da neutre (gluino se prodotte come gluon-gluino ball)

Nel secondo e terzo scenario la misura del momento ottenuta dal sistema dei muoni non e’ attendibile a causa del cambiamento di carica.

Nel secondo caso pero’ il momento puo’ essere misurato dal tracker.

Il terzo e’ piu’ complicato.

Tutte sono pero’ massive e quindi hanno Beta minore di 1

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Trigger :si sono individuati e studiati due tipi di triggers HLT utili per la ricerca di HSCP.

(Il trigger HLT seleziona e smista gli eventi in appositi Primary

Datasets per le successive analisi)

Muon HLT path (selezione di dati PDMuon)

le particelle HSCP (anche gli adroni) arrivano al rivelatore dei muoni e hanno la possibilita’ di essere ricostruite come muoni nel trigger L1A e in HLT

in questo caso e’ l‘HSCP stessa che triggera, il trigger e’ meno dipendente dalla simulazione (nel GMSB anche SM muons sono presenti nell’evento)

MET HLT path (selezione PDJetMET-jets E mancante )

nei modelli analizzati c’e’ sempre una MET elevata associata alla produzione di HSCP

ma MET e’ piu’ dipendente dal modello e dalla sua simulazione Selezione

per muoni PD: muoni con Pt > 45 GeV

per jetMet PD: o high pt muon(s) o dE/dX tracks & hight pt

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p pp p pp

25 ns

In CMS il rivelatore Barrel dei muoni e’ costituito da camere a Drift. Esse forniscono la posizione e la direzione di ogni traccia ma hanno anche la funzione di orologio. Infatti forniscono con precisione anche il tempo di passaggio della particella. La precisione di questi orologi e’ migliore del BunchXcrossing (25ns) a livello di decisione di trigger di primo livello L1A e dell’ordine del ns – con opportuna selezione sulla qualita’ delle tracce- al momento della ricostruzione. Gli orologi saranno sincronizzati in modo che particelle standard (Beta=1) diano nell’orologio di ogni camera tempo=0; particelle con Beta<1 daranno tempi piu’ lunghi consentendo la misura di Beta.La distribuzione in ETA degli HSCP e’ centrale quindi il Barrel Mu e’ il rivelatore maggiormente coinvolto ,assieme al tracker, per la rilevazione di HSCP. A Padova ci sono valide competenze per entrambi questi rivelatori Il fondo a HSCP si calcola dall’analisi di segnali di fisica SM.

Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (1)

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Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (2)

Se una particella arriva a una camera e il tempo di arrivo non e’ quello di una particella con Beta=1 cioe’ tc , i tempi di deriva sono maggiorati di una quantita’ t

Pulldistributionfor SM muons

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Beta from dE/dX in the silicon tracker layers

dove K e’ una costante calcolabile dai dati delle masse ricosctruite a 500 Gev stop

[m] Gev

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Uno studio dettagliato sulle code delle distribuzioni puo’ essere ottenuto con i dati di muoni SM , per esempio con le Z > mu mu

Le due misure di Beta - camere DT e dE/dx- sono correlate per il segnale e scorrelate per il fondo come ci aspetta .

Misure di beta associate

Standard model Background

HSCP

No background

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The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) needed for 3 events, for the four signal models(gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. Theright plot shows the mass distribution with 1 fb−1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tauand 800 GeV stop).

HSCP risultati finali di simulazione di HSCP in CMS e analisi ( trigger e ricostruzione )

Zero background con la selezione prevista

’ 3 Luminosita per avere eventi che possono essere considerate quelle necessarie per la

’ 95% . .scoperta o l esclusione al C L

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References HSCP :Theory

[1] G.F. Giudice and R. Rattazzi, Phys. Rept. 322 (1999) 419, hepph/9801271.

[2] B.C. Allanach et al., Eur. Phys. J. C25 (2002) 113, hepph/0202233.

[3] F.E. Paige et al., hep-ph/0312045.

[4] B.C. Allanach et al., “The Snowmass Points and Slopes: Benchmarks for SUSY Searches”, CERN-TH/2002-

020, hep-ph/0202233.

[5] S. Raby, Phys. Rev. D 56 2852 (1997).

[6] G. Giudice and A. Romanino, Nucl.Phys. B 699, 65 (2004).

[7] K. Cheung and W. Y. Keung, Phys. Rev. D 71, 015015 (2005).

[8] P. Gambino, G.F. Giudice, P. Slavich, Nucl. Phys. B 726 35 (2005).

[9] T. Sjostrand, Comput. Phys. Commun. 82, 74 (1994).

[10] M. Byrne, Phys. Lett. B 583, 309 (2004).

[11] T. Appelquist, H. C. Cheng and B. A. Dobrescu, Phys.Rev. D 64, 035002 (2001)

[12] T. Appelquist and H. Yee, Phys.Rev. D 67, 055002 (2003)

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Back up slides

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La “fase iniziale”“Pilot run” (450 + 450 GeV ):

luminosita’ istantanea: L= 1024 – 1027 cm-2s-1, (1 1 bunches) 1028 – 1029 cm-2s-1, (43 43 bunches) 1030 – 1032 cm-2s-1, (156 156 bunches) ??

Assumiamo: Ldt 1028106= 1034 =10nb-1

t~106s ??

(~1 “mese”)

Primo “Physics run” (2008, 7 + 7 TeV ?!):

luminosita’ istantanea: L= 1031 – 1032 cm-2s-1, (75 ns bunch spacing) 1032 – 1033 cm-2s-1, (25 ns “ “)

t~107s ?? (1 “anno”)

Assumiamo: Ldt 1032107= 1039 =1fb-1

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La “fase iniziale” # ev / 10 nb-1

Pythia 6.2 ,‘default’ min.bias settings

.0ˆ Tp

.20ˆ Tp

.10ˆ Tp

Ldt= 12 nb-1 ~ 2000 , pT>10 GeV ( 200 a ECM=900)

W

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In general,electrically charged stable states are incompatible with the dark matter problem, and also colored particles are strongly constrained. For this reason, models that address the dark-matter problem include, in general, a stable uncharged weakly interacting massive particle and may also have, in addition, one or more higher-lying meta-stable charged states.