Fisica pp a LHCA Colaleo

• Introduzione alla fisica dei collisionatori

A. Colaleo

adronici

•Detector•Detector

•Trigger and DAQ

• Test Standard Model - Misure di W- e top-quark mass

• Ricerca del Bosone di Higgs

• Ricerca di “nuova fisica”

La Supersimmetria e` la teoria piu` accreditata fra le estensioni del Modello

Supersimmetriap p

StandardLa formulazione a bassa energia e` in grado di:

Ri l il bl d ll hi d ll• Risolvere il problema della gerarchia delle masse• Unificare le forze• Introdurre la gravita`Introdurre la gravita

F i BNuova simmetria

SUSY a Λsusy :

Fermion ⇔ Bosone

SUSY a Λsusy :

MSSMin GeV 10 11≈Λ susy

GMSBin TeV 1000100 −≈Λ susy

susy

Teorie Supersimmetriche

-Per ogni particella ordinaria esiste una contropartesupersimmetrica : fermioni (spin ½) <=> s-fermioni (spin 0)

(quarks, leptoni) (s-quark,s-leptons)

bosoni di gauge (spin 0) <=> gaugini (spin ½)γ, Z, W fotino, Zino, WinoHiggs HiggsinoHiggs Higgsino

- Viene risolto il problema della divergenza ultravioletta della massa dell’ Higgs (problema della “naturalezza”: abnorme ‘fine tuning’ necessariodell Higgs (problema della naturalezza : abnorme fine-tuning necessarionella teoria ordinaria per mantenere finita la massa dello scalare, “proteggendola” dalle loop corrections:

J 1 J 0δmH

2 ≅

∫

+ +J=1 J=1/2 J=0

3≅ g2 ∫ d4k/k2

Teorie SupersimmetricheIn SUSY, si hanno automatiche cancellazioni dei varicontributi, perche’ particelle e super particelle intervengono nel loopcon segni opposti; le cancellazioni sono esatte se tutte le particellecon segni opposti; le cancellazioni sono esatte se tutte le particellesono degeneri ed hanno le stesse costanti di accoppiamento;

d ll’ Hi d ll’ di i f i 1 T V i hi d huna massa dell’ Higgs dell’ ordine o inferiore a 1 TeV richiede chela supersimmetria sia rotta su questa scala (ossia le masse delleSuperparticelle si differenzino a questa scala: |mB

2–mF2| < 1 TeV2 )

I gaugini, partner supersimmetrici dei bosoni di gauge: fotino, Wino, Zinoe i partners dei bosoni di Higgs: “higgsini” H1, H2p gg gg 1 2non sono autostati di massa.

Questi sono i “neutralini” χ01 2 3 4 e i “chargini” χ±

1 2, che si ottengono daQuesti sono i neutralini χ 1,2,3,4 e i chargini χ 1,2, che si ottengono dagaugini e higgsini attraverso una matrice di mixing che dipende da treparametri, la “masse di Maiorana” dei gaugini M1,M2,M3 associate aiSottogruppi SU1 SU2 SU3 dello standard model alla scala di

4

Sottogruppi SU1,SU2,SU3 dello standard model alla scala di Grande Unificazione

Particelle Supersimmetriche p

Gli autostati di massa(neutralini e chargini) sono misture

5di higgsini e Wini/Zino,fotino

Rottura spontanea di simmetria in SUSY

I possibili modelli supersimmetrici si differenziano (anche) per lamodalita’ attraverso la quale avviene la rottura spontanea di simmetria,

i li i i tt i l tt di i t iossia per quali sono i campi attraverso cui la rottura di simmetriaviene comunicata dal settore di campi supersimmetrici in cui la simmetria e’ nascosta (particelle e s-particelle hanno la stessa massa:cosa evidentemente falsa: un s-elettrone di 511 keV non esiste…) al settore visibile dello spettro ‘reale’ del MSSM.Cio’ avviene attraverso interazioni che possono essere:p

-Gravity mediated: i termini di lagrangiana di ‘susy breaking’contengono superpotenziali con il gravitone ( e g “mSUGRA”):contengono superpotenziali con il gravitone ( e.g. mSUGRA ):•Unificazione delle masse scalari (squark e sfermioni) a m0 alla scala GUT• Unificazione delle masse dei gaugini M1 = 5/3 tan2 θW M2

-Gauge mediated: il superpotenziale e’ costruito da campi di ordinari di gauge

6(+ altri scenari anomali/esotici “ASMB”)La spettroscopia risultante dipende anche da questo…

Rottura spontanea di simmetria in SUSYSUSY

Esempi di spettri in differenti scenari di Susy Breaking

7

“MSSM”Termini di rottura vengono introdotti nella Langragiana del Modello SUSY:

la supersimmetria viene rotta spontaneamente da campi che interagiscono con le particelle che conosciamo attraverso interazioni gravitazionali (mSugra) (un settore “nascosto” alle nostre energie)(mSugra) (un settore nascosto alle nostre energie)

Il “Minimum Supersymmetric Standard Model” (MSSM) e’l’ estensione minimale del modello Standard, quella cioe’ chel estensione minimale del modello Standard, quella cioe cheprevede il minimo spettro di particelle compatibile con l’esistenzadella supersimmetria e un numero ridotto di parametri

8

Nuovo numero quantico moltiplicativo:

+ 1 SM ti lR-parity Rp=

+ 1 SM particles

- 1 SUSY particles

Se R e’ conservato (scenario classico):

la “lightest supersimmetric particle” (LSP) e’ stabile e neutra=> segnatura di energia mancante nell’ apparato

NLSP -> LSP + particelle del MS

χ•In MSSM :LSP:

lightest neutralino

•In GMSB: gravitinoLSP:

G~

10

11

Settore di Higgs: dallo SM al MSSMNel Minimal SuperSymmetric Model vi sono due doppietti di Higgs

(e’ il minimo numero necessario per dare massa sia ai fermioni che agli s-fermioni)g )

12

Settore di Higgs: mass spectrum

13

“Constrained” MSSMConstrained MSSM Nella versione “constrained” (CMSSM), si ipotizza che alla scala di Plankvi sia un unico parametro di massa universale per tutti i gauigini, m1/2 ,ed un’ unica massa universale per gli scalari, m0.

Termini di rottura soffice di SUSY: parametri univeraliTermini di rottura soffice di SUSY: parametri univeraliM1/2 -> Mi μ tanβ

<H2>0HiggsinoGaugino masses

m0

Sfermion mass

A

Trilineare

<H1>0Higgsino

massGaugino masses

M1:M2:M3=α1:α2:α3

Sfermion mass@ GUT scale

Trilineare

L’intero spettro di bassa energia (ossia quello osservabile sperimentalmente)delle particelle supersimmetrice dipende da questi parametri e dalle

t ti di i t d ’ l l bil i f i di ticostanti di accoppiamento, ed e’ calcolabile in funzione di questi parametri di input

14Regioni .

Strategia di ricerca a LHC

• Se SUSY esiste alla scala elettrodebole allora dovra‘ essere accessibile a LHC

• Squarks e Gluinos sono prodotti in interazioni forti (sezioni d’urto grandi)

Decadimenti in cascata fino a LSP

⇒ combination of Jets Leptons ET

missJets, Leptons, ET

1. Step: Cercare deviazioni dal Modello StandardExample: Multijet + ET

miss signature

2. Step: Stabilire la SUSY mass scale con variabili inclusive, es. Massa effettiva

3. Step: Determinazione parametri del modelloStrategia: selezionare particolare catene di decadimento e usare la

cinematica per determinare le combinazioni di massacinematica per determinare le combinazioni di massa

“Constrained” MSSM

Le sezioni d’urto dei processidi d i di ti ldi produzione di s-particles(e quindi le capacita’ discoperta , “Physics reach”,per una data luminosita’integrata per una macchinaad una certa energia) vengonog ) griportate nel piano(m0, m1/2)nel quale vengono scelti deinel quale vengono scelti dei‘benchmark points’, per i qualivengono fatti gli studi fenomenologici dettagliatifenomenologici dettagliati

16

“Constrained” MSSMEsempio di “bench-mark point” (punto nello spazio dei parametriscelto per calcolare in dettaglio lo spettro delle s-particelle, simulandonela produzione e le possibili catene di decadimento nei rivelatori)la produzione e le possibili catene di decadimento nei rivelatori)

questo scenarioi li l ibilit ’ diimplica la possibilita’ didecadimenti dell’Higgsin s-particles

e.g. (vedi dopo):A, H → χ2

0 χ20 → 4l + ET

miss

l+ l- χ10

17

χ1

Produzione di particelle SUSY ai collisionatori

18

Decadimenti di particelle SUSY ai collisionatori

Corso SM, Dottorato, XX ciclo

19

Squarks e GluinosSquarks e gluini prodotti attraverso strong processes → grande sezioni d’ td’urto

20m ~ 1 TeV σ ∼ 1 pb → 104 eventi prodottti a bassa L

g~ ,~q

Decadimenti di squark e gluini

qAutostati di massa neutralini o chargini

qχ0

2

q~g~

χ01

Zχ 2

21

Ricerca di squark e gluini a LHC• Prodotti in interazioni forti sezioni d’urto grandi e paragonabili ai quelle QCD

• Se la R-parity e’ conservata :multiple jets (molti da b quark e tau), leptoni isolati e non isolati, e ET

miss da e neutrini

Njet > 4, ET > 100, 50, 50, 50 GeV, ETmiss > 100 GeV

• Definizione: ( massa effettiva)Max massa effettiva = m_squark (o m_gluino)

ttbar+jetsNo-leptonLHC reach per masse di Squark- and Gluino :

ttbar+jetsZ (→νν)+jetsW+jetsQCD jetsAll backgrounds

p

1 fb-1 ⇒ M ~ 1500 GeV 10 fb-1 ⇒ M ~ 1900 GeV

100 fb-1 ⇒ M ~ 2500 GeV

All backgroundsSUSY signal (SU3)

example: mSUGRAm0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan β 10 A 0 > 0

100 fb ⇒ M 2500 GeVTeV-scale SUSY subito accessibile!

tan β = 10, A0 = 0, μ > 0

Ricerca SUSY a LHC

Tipico evento di SUSY:

ET

Il “physics reach” a LHC viene

23

Il physics reach a LHC vieneriportato nel piano (m0,m1/2)

Decadimenti di NeutraliniDecadimenti in 2 corpi

Z

0

χ02

χ01

Decadimenti in 3 corpiDecadimenti in 3 corpi

molti leptoni nello stato finalei i t (d LSP)

24+ missing transverse energy (da LSP)

Decadimenti dei Chargini

χ± W±

χ0 = LSPχ01= LSP

molti leptoni e/o jet nello stato finale

25

molti leptoni e/o jet nello stato finale+ missing transverse energy (da LSP)

f

Decadimenti di sleptonI e squark

χ02

ff~

χ01

Z

26molti leptoni e jets nello stato finale+ missing transverse energy (da LSP)

Fenomenologia variaStrategia di ricerca a LHC

– gluinos/squarks decadono in jet di alto impulso trasverso

– Catene di decadimento– Emissione di jets– Emissione di jets– Leptoni da chargini /neutralini– LSP stabile e neutro: grande

energia trasversa mancante

Utilizziamo golden channel di scopertacon segnaturecon segnature

“multimulti--Jets + Jets + nn--leptons + leptons + EETTmissmiss”

27

Fondi ai segnali di SUSY

28

Ri t i di b tt k l iRi t i di b tt k l i

Strategia di ricerca a LHC: decadimenti in cascata

g~pp →

Ricostruzione di sbottoms, squarks e gluinos:Ricostruzione di sbottoms, squarks e gluinos:

p bml

01

~χbb~→g pp →

b~02χ

pg~

~

b

±l

02

~χ±l

~bb→

~ mll±

pb~ b

llmll±→ 0

1~χ

≥ 2 high pt isolated leptons OS

(l t )

≥ 2 high pt b jets

2 hi h i l t d l tqq~ g~ pp →→

(leptons = e,μ)

≥ 2 high pt non-b jets

≥ 2 high pt isolated leptons

(leptons = e,μ)q~0

2χ

~missing Etmissing Et

−+± χ→ llll m 01

~~

SM bkg: tt Z+jet W+jet ZZ WW ZW QCD jets

29

SM bkg: tt, Z+jet, W+jet, ZZ, WW, ZW, QCD jets

Strategia di ricerca a LHC: segnature tipiche

Grande segnale di-leptone nella catenaDi decadimento del neutralino :

f 1

pchallenge fordetector readness

10 fb-1

sbottomsbottomchainchain

1 fb-1

mSUGRA

pT1,2 >15 GeV

ETmiss>100GeV

10 fb 110 fb-1

sbottomsbottomtanβ =2m0,m1/2=110,190

30

m0,m1/2 110,190

Grande segnale di-leptone nella catenaDi decadimento del neutralino :

31

Analisi inclusiva con di-leptoni• leptons originano da

CMSllllll 01

02

01

02

~~ o ~~~ χχχχ →→→• Trigger: singoli elettroni o muoni isolati • Event selection:

– Almeno 2 muoni (o elettroni) con segno i l d 10 G V/ 1 fb-1

opposto isolated , pT>10 GeV/c– MET>200 GeV– Almento 2 jets, ET

jet1>100 GeV, ETjet2>60

GeV |η|<3

1 fb

GeV, |η|<3

32

Altre tecniche di edge fit alla massa

33

m (ll) spectrumend-point : 109 GeVprecision ~ 0 3%

m (llj)min spectrumend-point: 552 GeVprecision ~1 %

Ricostruzione di una tipica

catena di decadimentoprecision 0.3% precision 1 %catena di decadimentomχ’-mχ

Lq~ → q χ02

R~l

0l

(llj)max t

l χ01

m (l±j) spectrumend-point: 479 GeVexp precision ~1 %

m (llj)max spectrumthreshold: 272 GeVexp. precision ~2 % Msquark = 690

Mχ’ = 232 exp. precision 1 %Mχ 232Mslepton = 157

Mχ = 121(GeV)

34Erice. Sept. 2, 2003 L. Maiani: LHC Status 14ATLAS

χ02 reconstruction:

p bml

01

~χ

g~

b~±l

02

~χ ±l~

pb

02

~χ 01

~χ+l−l ll

l~

10 fb-1

l

ll

ll~

2χ~

2~

2~

2χ~max

M

)M)(MM(MM

01

02

−−=−+

35

l

Fenomenologia dell’ HiggsModello Standard MSSM

• 1 doppietto di Higgs (v)• 1 stato finale

• 2 doppietti di Higgs (v1 ,v2)• 5 stati finali

h H A H+ HH• 1 parametro

MHi i di ti

h H A H+ , H-CP-pari CP-dispari (α) carichi

• 2 parametri necessariM tanβ=v /v• correzioni radiative

divergenti quadraticamente

Mh tanβ=v2/v1• correzioni radiative

finite ma dipendono da mtop, msusys At Ab μμ

M ~ MMh ~ MA

Proibitodalla teoria

Settore di Higgs nel MSSMgg

A livello albero, tutte le masse degli Higgs sono determinate da solo dueparametri ad esempio: m tan βparametri, ad esempio: mA, tan β

massa dello pseudoscalare neutrorapporto tra i v.e.v: <f>/<f’>

2220 ±± += WAH mmm

( )( )β2cos4)( 22222222212

, 00000000 AZZAZAHhmmmmmmm −++= m

Le correzioni radiative modificano sensibilmente questa predizione(altrimenti lo MSSM sarebbe già stato eliminato da LEP )(altrimenti lo MSSM sarebbe già stato eliminato da LEP...)Tuttavia...

37

Masse degli Higgs nel MSSMNel MSSM, ci deve essere almeno un Higgs leggero, h0(mh0 ≤ 130 GeV per qualsiasi valore di mA, tan β):

38

Costanti di accoppiamento

Higgs accoppiano ai fermionimixing stop-sbottom

•βα

sincos

0 ttthmg ∝•_ •

βα

cossin

0

−∝ bbbh

mg•

H

f•H

β

βα

sinsin

0 tttHmg ∝ •

β

βα

coscos

0 bbbHmg ∝

fβ

• βcot0 tttAmg ∝

β

• βtan0 bbbAmg ∝

• proportionale alla massa → 3rd generatione favorita

• tan β favorisce accoppiamento con fermioni down-type• tan β favorisce accoppiamento con fermioni down-type

Sezioni d’urto

Le sezioni d’urto dipendono drasticamente da tan β:

Limiti da LEP estratti nel piano(MA,Mh) e (Mh tanβ)

Z* Ae+

Limiti sono espressi al 95% CL:LEP ha già fatto un buon

he-

MA > 84 GeV/c2

Mh > 85 GeV/c2

LEP ha già fatto un buon lavoro di esclusione, main una regione limitata d ll i d i t i

Valori di 0 7 <tanβ<1 8 sono esclusi

dello spazio dei parametri...:

Valori di 0.7 <tanβ<1.8 sono esclusi

Per estendere la regione di esclusione necessariaPer estendere la regione di esclusione necessariaun’energia nel centro di massa 210-215 GeV

LHC

Hi t iHiggs neutri

MSSM a LHCLa copertura dello spazio dei parametri viene notevolmente estesa:

I decadimentinel τ giocanoun ruolo essenziale:un ruolo essenziale:

jet + jet

h0,A0,H0 → ττ

• ττ → jet + jet• ττ → lepton + jet• ττ → lepton + lepton

τ branching ratios:- τ → l νl ντ : 35%

43- τ → π± + n π0’s : 50%- τ → 3π± + n π0’s : 15%

BR di h0,A0,H0

I BR (h0,A0,H0 →ττ ) sono dell’ ordine del 10% :

Canale “raro”

44

Canale raroma interessante..

BR di decadimento di CP-ODD A dipendenza da tanBp

Ricerca dei bosoni di higgs neutri

Ricerca nel canale

Piccolo BR (10-4)

Precisa ricostruzione della massaPrecisa ricostruzione della massa

Misura della larghezza dell’Higgs

Backgroun Z+ jets, ttbar, Zbb

Ricerca nel canale

BR =10%

Ricostruzione della massa richiedeRicostruzione della massa richiede Eccellente risoluzione in energia trasversa mancante

Misura della larghezza dell’Higgs

Background Z+ jets, ttbar, ZbbBackground Z jets, ttbar, Zbb

MSSM a LHCLa copertura dello spazio dei parametri viene notevolmente estesa:

I decadimentinel τ giocanoun ruolo essenziale:un ruolo essenziale:

jet + jet

h0,A0,H0 → ττ

• ττ → jet + jet• ττ → lepton + jet• ττ → lepton + lepton

τ branching ratios:- τ → l νl ντ : 35%- τ → π± + n π0’s : 50%

50

τ → π± + n π0 s : 50%- τ → 3π± + n π0’s : 15%

MSSM a LHC...La identificazione del τ e il b-tagging saranno essenziali per “chiudere” lo spazioLa identificazione del τ e il b tagging saranno essenziali per chiudere lo spaziodei parametri:

51

MSSM a LHC...Higgs carico

H+ →τν :

tb

g

g

t

bt

H+ ντ

gb

52

MSSM a LHC...il segnale di h dovrebbe sempre essere trovato:il segnale di h0 dovrebbe sempre essere trovato: stessa tecnica (stessi problemi...vedi sopra) di HSM →γγ

l di tt di tal di sotto di questo“triangolo” nel piano (mA,tanβ)si rischia di avere una sola“segnatura” disponibile....

nuove idee per coprire la regione a bassi tanβ - alti mA

53

Higgs→ light sparticles

Se i neutralini e/o chargini (mixing delle controparti supersimmetriche dei bosoni di gauge, i gaugini, e dei bosoni di Higgs, gli higgsini)sono sufficientemente leggeri l’Higgs supersimmetrico

interesting coupling: A0~

= χ0

sono sufficientemente leggeri, l Higgs supersimmetricopuo’ decadere, oltre che in particelle ordinarie, anche in talis-particelle:

… interesting coupling:H0

A

Z0~

= χ0

(neutralinos)

Most promising decay channel:

A, H → χ20 χ2

0 → 4l + ETmiss

Most promising decay channel:

l+ l- χ10

54