22
Katja Klein (OPAL) 1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen On behalf of the LEP collaborations July 29 th , 2006 ICHEP 2006, Moscow Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP

Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein (OPAL)1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen

On behalf of the LEP collaborations

July 29th, 2006 ICHEP 2006, Moscow

Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP

Page 2: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

OutlineFour abstracts submitted:Supersymmetryf

● Searches for gauge­mediated Supersymmetry breaking topologies   in e+e­ collisions at LEP2 (OPAL; Eur. Phys. J. C46 (2006) 307­341)

Extra dimensionsf

● Single­ and multi­photon events with missing energy in e+e­ collisions   at LEP (L3; Phys. Lett. B587 (2004) 16­32)g

● Search for one large extra dimension with the DELPHI detector at LEP2   (DELPHI; 2006­002 CONF 748, June 22nd, 2006)g

● Search for branons at LEP (L3; Phys. Lett. B597 (2004) 145­154)f 

 All li

mits are 

at 95% C.L. !

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               3/22

Page 3: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

GMSB: Motivation● No SUSY particles discovered yet  Supersymmetry (SUSY) is a broken symmetry● Two most popular mechanisms for spontaneous SUSY breaking:   Gravity Mediated (SUGRA) and Gauge Mediated SUSY Breaking (GMSB) 

100 TeV < √F < 2000 TeV

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               3/22

E

M

√F

Hidden sector;breaks SUSY

Messenger 

Visible sector:SM and SUSY particles

Mass scale 

SUGRA GMSB

gravitational interaction

gauge interactions

 MP

SUSY breaking scale √F  1011GeV

 MP

gravitational interaction

                               

  G heavy G light

gravitational interaction

sectorMass scale M

M G ~ F /M P

Page 4: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               4/22

● 6 parameters in minimal GMSB model: 

M         messenger mass scaleN          number of generations of messenger particles √F        SUSY breaking scale         SUSY particles mass scaletan     ratio of VEVs of Higgs doubletssign   sign of Higgs sector mixing parameter

●         ~ eV – GeV  gravitino is the Lightest SUSY Particle (LSP)● Three possibilities for the Next­to LSP (NLSP) and its decay: 

      ­ stau NLSP scenario:       ­ slepton co­NLSP scenario:      ­ neutralino NLSP scenario:  

LNLSP ~ 100 GeV

mNLSP

5

F /k100 TeV

4 E NLSP

2

mNLSP2 −1 ×10−2 cm

10 G

1 Gl l G ; l= eR , R , 1

  NLSP lifetime is arbitrary:  

Dimopoulos, Thomas, Wells,Nucl. Phys. B488 (1997) 39;g

Guidice, Rattazzi, Phys. Rept. 322 (1999) 419;g

Ambrosanio, Kribs, Martin, Phys. Rev. D56 (1997) 1761

(k = model dep. parameter of SUSY breaking) 

GMSB: Motivation

M G

Page 5: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               5/22

GMSB (OPAL): Slepton NLSP Topologies

Topology in detector depends on slepton lifetime: ­ prompt decay: 2, 4 or 6 leptons + E

 

  ­ decay in detector: tracks with large impact parameters or kinks + E (+ 2 or 4 leptons)

 ­ decay outside detector: tracks with anomalous dE/dx + E (+ 2 or 4 leptons)

l=e ,

(plus t­channel diagrams)

NLSP

Page 6: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               6/22

GMSB (OPAL):    Pair Production with   NLSP

● Zero lifetime (l.t.): acoplanar leptons   ­ Abbiendi et al., Eur. Phys. J, C32 (2004) 453    ­ Irreducible BG from WW productionh

● Short l.t.: tracks with large impact parametersh

● Medium l.t.: tracks with kinks   ­ refit of kink vertexh

  BG for short & medium l.t.:    ­ cosmics and beam gas/wall events    ­ two­photon ( = O(10nb))

h

● Long l.t.: tracks with anomalous dE/dx  ­ basically BG free topology

G

l­l+

G

kink

large d0

tracking chamber

l l

Page 7: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               7/22

● No significant excesses observed  limits on production cross sections,   sparticle masses and model parametersg

● Theoretical framework based on Dimopoulos, Thomas, Wells; Nucl. Phys. B488 (1997) 39g

● mG = 2 eV ⇔  BR( NNLSP       X) ≈ 0 

g

● √F  is eliminated by lifetime independence of experimental cross section limitsg

● Parameter scan:

● Minimal expected ⋅BR2 calculated for each slepton and neutralino mass: (⋅BR2)min

GMSB (OPAL): Parameter Scan

G

Parameter                   Scan points                 Step size                            5 − 150 TeV                 1 TeV  tan                1 − 50                       0.2    M               1.01, 250 TeV, 106 TeV    N                            1, 2, 3, 4, 5 sign()                         +1, ­1

Page 8: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               8/22

crossing of dE/dx bands of sleptons & SM particles 

GMSB (OPAL):    Pair Production with   NLSPl l

● SUSY MC produced with SUSYGEN  or DFGT in mass­lifetime grid  

● Combination of analyses for   different lifetimes taking overlaps   into account

● √s = 189 ­ 209 GeV, ∫L  600 pb­1

  Combination of √s bins with   (⋅BR2)

min

● Statistical treatment according   to Junk; Nucl. Instrum. Meth.   A434 (1999) 435

● Statistical and systematic errors included

● Similar limits O(0.1pb) in slepton co­NLSP scenario

 

Page 9: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                               9/22

● Comparison of 95

 with (⋅BR2)min

  ⇒ slepton mass limits

m 1 87.4 88.2GeV

m R 93.793.6GeV

● Slepton co­NLSP scenario:  sleptons degenerate within  mass  ⇒

m − ml 91.9GeV

GMSB (OPAL):    Pair Production with   NLSPl l

Page 10: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             10/22

Topology in detector depends on neutralino lifetime: ­ prompt decay: photons + E (+ leptons/jets)

 

  ­ decay in detector: non­pointing photons + E (+ leptons/jets)

 ­ decay outside detector: E  (+ leptons/jets)

(plus s­channel)

(plus t­channel diagrams)

GMSB (OPAL): Neutralino NLSP Topologies

Page 11: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             11/22

●  Combination of √s bins:      ­ Chargino pair­production:  ~ /s    ­ Slepton pair­production:  ~ 3/sg

● Minimization in neutralino lifetime   lifetime­independent cross section limits

GMSB (OPAL): Indirect      Prod. with      NLSP

neutralino NLSP chargino pp

Chargino & slepton pair­production:

● Long lifetime: photons not visible, higher E

● Short lifetime:

neutralino NLSP stau pp

10 1

0

Page 12: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             12/22

 > 40, 27, 21, 17, 15 TeV for N = 1, 2, 3, 4, 5(N = number of messenger generations) m

h > 114.4  3 (theo)  5 (m

t) GeV

GMSB (OPAL): Interpretationsign() > 0

Lifetime­independent limits on :

Lifetime­independent exclusionsin GMSB parameter space:

Page 13: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

ADD model ● n large compact extra spatial dimensions● we live in 4 dimensions ("on the brane"), gravity can propagate in the 4+n dim. bulk● gravitational mass scale M

D in D = 4+n dimensions is of the order of the weak scale

● effective MP in 4 dim. is large only due to the hidden volume Rn of the extra dimensions: 

 ● for n=1, R ~ 1013cm ≈ distance between earth and sun  astronomically excluded● for n=2, R ~ 100m  not excluded yet

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             13/22

Extra Dimensions (ED) ­ Motivation

Hierarchy between electroweak scale MEW

 and Planck scale MP  explained by 

two popular models: the ADD model (Arkani­Hamed, Dimopoulos, Dvali) and the Randall Sundrum model

                                                                                                  

M P2≈M D

2n Rn

 (Phys. Lett. B429 (1998) 263­272)

Phenomenological consequence of EDs: ● massive excitation states of the graviton: "Kaluza Klein" (KK) tower● in ADD framework: large multiplicity of states, gravitiational interaction with SM                  particles, invisible

Page 14: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             14/22

Single & Multi­photon Events with E (L3)

● Single Graviton production at LEP:

 ⇒ single photon plus E signature 

d 2dxd cos

=

32 sn /2

n /2 s

M D

n2

f x , cos

(Guidice, Rattazzi, Wells; Nucl. Phys. B544 (1999) 3)

 = polar angle, x = E

/E

beam,  = fine­structure constant

● Background from                        and                           e e− e e− e e−

Page 15: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             15/22

Single & Multi­photon Events with E (L3)

● High energy single­photons:  pT > 0.02 √s

    ­ purity for                            = 99.1%  ⇒ N

obs / N

exp = 1898 / 1905.1   

● Low energy single­photons: 0.008 √s < pT < 0.02 √s

     ­ one photon candidate in the barrel (single­ trigger)  ⇒ N

obs / N

exp = 566 / 577.8    

● Photon candidates must have E > 1GeV

● Two event topologies are studied:

e e−

low E single 

● Theoretical differential cross section  ⇒ number of exp. signal events as function of (1/M

D)n+2

⇒ limits on MD from fit to x

 vs. cos 

 distribution

high & low E single 

Page 16: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             16/22

Single & Multi­photon Events with E (L3)

● LEP combination including ADL: LEP Exotica WG 2004­03h

● For each n, the log likelihood functions are added and limits calculated using   Bayesian likelihood method 

Page 17: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             17/22

Search for one large ED (Delphi) ● ADD limits from single­photon signature for n > 1 onlyg

● But n = 1 allowed for a slightly warped geometry: based on RS1 type model,   but no light KK modes (Guidice, Plehn, Strumia; Nucl. Phys. B706 (2005) 455)  g

● Photon energy spectrum depends strongly on n  new analysis necessary                                                        

● Expected number of single­photon events   in DELPHI  electromagn. calorimeter ● Corrected for cal. efficiency & resolution

n=

n=

Page 18: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             18/22

Search for one large ED (Delphi) 

   ⇒ MD ≥ 1.69 (1.71) TeV  3% for n = 1 

● Final event selection with likelihood­ratio based on E 

● Pre­selection of single­photon events using tracker and ECAL  (√s=183­209 GeV, ∫L=650 pb­1)g

   ­ High density Projection Chamber (HPC)         ­ x

 > 0.06

   ­ Forward ElectroMagnetic Cal. (FEMC)         ­ x

 > 0.10

   ­ Small angle TIle Calorimeter (STIC)     (BG dominated  not used for final analysis)  

                Nobs

      Ne+e­  ()       Nother SM BGg

FEMC     705      623 ± 3         49.1g

HPC        498      540 ± 4         0.6

Page 19: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             19/22

Search for Branons (L3)● ADD type geometries: brane oscillations corresponding to a brane tension  = f4        ⇒ New scalar fields = Goldstone bosons corresponding to the SSB of the                    translational invariance produced by presence of the brane: "branons"g

● Translational invariance is not exact  branons are massiveg

●  For tension scale f << MD, Gravitons decouple from SM particles   

 

 (e.g. Cembranos , Dobado, Maroto, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 241301) 

Page 20: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             20/22

Search for Branons (L3)●  + E  and              + E covered, but low sensitivity in Z channel due to phase space ● Two different analysis for  + E, depending on p

T:

High pT:     

  ­ 0.04 Ebeam

 < pT < 0.6 E

beam  

  ­ purity for                            = 99%

                     

⇒  Nobs

 / Nexp

 = 838 / 811.2(N

s = 351.4 for M = 0 and f = 150GeV)

e e−

Low pT:   

 ­ 0.016 Ebeam

 < pT < 0.04 E

beam

 ­ barrel only (photon trigger!) ­ BG mainly from                                 

                    

⇒ Nobs

 / Nexp

 = 543 / 554(N

s = 95.3 for M = 0, f = 150GeV)

e e− e e−

√s = 189­209 GeV, ∫L  630 pb­1

Z q q

Page 21: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             21/22

Search for Branons (L3)● One light branon with mass M assumedf

● Efficiency for branons from SM MCs for                                  and                        ,   reweighted with diff. cross section from Alcaraz et al. (Phys. Rev. D67 (2003) 075010)f

● Bin­wise comparison of observed and expected number of events for    x vs. cos  distribution, assuming Poisson probability distribution

  M > 103 GeV

f > 180 GeV

e e− Z q q e e−

Page 22: Search for SUSY and Extra Dimensions at LEPklein/ichep.pdf · Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP. Outline Four abstracts submitted: Supersymmetry f Searches for gaugemediated

 

Katja Klein                                     Search for SUSY and Extra Dimensions at LEP                                             22/22

Summary● No evidence for new physics observed in searches for GMSB signatures  and extra dimensions ⇒ Limits on slepton and neutralino masses as well as on the SUSY mass       scale  within the GMSB scenario:

  ⇒ Limits on gravitational mass scale MD 

in extra dimensions:                      M

D > 1.69, 1.60, 0.66 TeV for n = 1, 2, 6 

● LHC startup very soon – discoveries might be just around the corner!

generator level, signal only

 > 40, 27, 21, 17, 15 TeV for N = 1, 2, 3, 4, 5

20 1

0 Z0

20 1

0 l− l