Sérülő szimmetriák az LHC-nál. 2. Szuperszimmetria

Átírás

1 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 1/52 Sérülő szimmetriák az LHC-nál. 2. Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, Horváth Dezső MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen

2 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 2/52 Vázlat Irodalom: A Standard Modell problémái. A mértékcsatolások összetartása. Szuperszimmetria (SUSY). A Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell. Az MSSM részecskék és keresésük. A legegyszerűbb modell kizárása Fenomenológikus stratégia S.P. Martin: A supersymmetry primer, hep-ph/ , 2011 D.S.M. Alves et al., The LHC New Physics Working Group: Simplified Models for LHC New Physics Searches, arxiv: v1 [hep-ph] 13 May 2011

3 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 3/52 A Standard Modell problémái 1 3 független összetevő: U(1) Y SU(2) L SU(3) C Gravitáció? S = 2 graviton? Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Mesterséges tömegkeltés: Rengeteg alapvető részecske: = 13 bozon 3 2 ( ) = 48 fermion Higgs-tér kívülről Töltéskvantálás: Q e = Q p, Q d = Q e /3 Miért éppen 3 fermioncsalád? Eredetileg: Minek a müon?? Nukleon spinje: hogyan áll össze 1/2-dé?

4 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 4/52 A Standard Modell problémái 2 19 szabad paraméter: 3 csatolás: α, Θ W, Λ QCD 2 Higgs: M H, λ 9 fermion-tömeg: 3 M l, 6 M q CKM-mátrix 4 paramétere: Θ 1, Θ 2, Θ 3, δ QCD-vákuum: Θ M ν > 0 +7 paraméter Sötét anyag és energia?? Univerzum tömegének 4%-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, ν) 23 %-a láthatatlan sötét anyag 73 %-a rejtélyes sötét energia

5 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 5/52 Csatolási állandók (µ) α 1 Standard Model (µ) α (µ) α log 10 (µ [GeV]) α i : SU(i) csat. állandója Majdnem találkoznak µ GeV-nél Egyesíthetők a kölcsönhatások?

6 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 6/52 A hierarchia-probléma Higgs-potenciál: V = m 2 H Φ2 + λφ 4 m 2 H (100GeV)2 Korrekciók Higgs-tömeghez: Fermion-hurok: m 2 H = λ f 2 8π 2 [ Λ 2 UV +6m2 f ln Λ UV m f +...] top-kvarkra λ t 1 UV-levágás: Λ UV > GeV! Higgs-paraméterek hangolása pontosságig! Ha lenne 2 nehéz skalár részecske: m 2 H = λ S 16π 2 [+Λ 2 UV 2m2 S ln Λ UV m S +...] f S 1,S 2 : λ S = λ 2 f ; m S = m f Λ 2 -es korrekciók kiesnének H H S f f H H

7 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 7/52 Szuperszimmetria (SUSY) Fermionok és bozonok párban: Q F>= B>; Q B>= F> m B = m F Azonos részecskék, csak spinjük különbözik Kis energián sérül, partnereket nem látjuk: nagyobb tömeg? Királis multiplettek SUSY-menazséria mérték-multiplettek S=1/2 S=0 S=1 S=1/2 kvark: q L, q R skvark: q 1, q 2 foton: γ fotíno: γ lepton: l L,l R slepton: l 1, l 2 gyenge W ± wino: W ± bozonok Z zino: Z higgszínó: Φ, Φ Higgs: Φ,Φ gluon: g gluínó: g Skalár fermion: sfermion, bozon párja: bozínó

8 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 8/52 SUSY, folyt. 2 Higgs-dublett ad tömeget felső és alsó fermionoknak m L = m R, de m L m R 8 Higgs-tér 5 Higgs-bozon: h 0,H 0,A 0,H ± Higgs-paraméterek: tgβ = v 1 /v 2, tömegek SUSY kvantumszáma: R-paritás R = ( 1) 3B L+2S R = +1 részecske, R = 1 srészecske Paritás-jelleg: R 2 = +1 Ha R megmarad, legkönnyebb srészecske (LSP) stabil R-paritás nagyon nem sérülhet: látnánk Ha LSP semleges: sötét anyag lehet

9 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 9/52 SUSY: mértékcsatolási állandók Egyesülnek! Kunkor az elején: SUSY belépése

10 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 10/52 MSSM Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell SUSY-fermionok keverednek tömeg-sajátállapotok {Elektrogyenge gaugínók + higgszínók} {chargínók és neutralínók } { γ, W ±, Z; h 0, H 0, H ± } { χ ± 1, χ± 2 ; χ0 1, χ0 2, χ0 3, χ0 4 } tömeg nő az index-szel Legkönnyebb SUSY-részecske (LSP): χ 0 1 vagy gravitínó ( G) Rengetegféle modell, óriási paramétertér, különféle korlátozás.

11 SM és MSSM: menazséria Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 11/52

12 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 12/52 Szuperszimmetria? Szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, legfeljebb sokkal nagyobb tömeggel Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetriasértő tér tömegek, renormálhatóság A Higgs tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nem-létezőt Mindez egy racionális, kiszámítható elméletért

13 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 13/52 Szuperszimmetria: + és elmélet természetessége + világegyetem hideg sötét anyaga (23 %) kölcsönhatások egyesítése gravitáció beépítése DE: SUSY-sértés mechanizmusa?? sokféle modellfelépítés rengeteg új paraméter m 100 GeV alatt nem látjuk Még jó, hogy a SUSY-t már 50%-ig felfedeztük!! (a SUSY-részecskék felét (1 híján??) látjuk...)

14 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 14/52 CMSSM vagy MSUGRA Constrained MSSM vagy Minimális Szupergravitációs Modell Sok egyszerűsítő megszorítás (határfeltétel), vagy 6 paraméter, pl.: m 1/2 : szfermiontömegek a nagy egyesítés energiájánál (GUE GeV) m 0 : bozínótömegek (GUE) A 0 : SUSY-sértő hármas (X Y Higgs) csatolási állandók (GUE) tanβ = v 1 /v 2 : felső és alsó Higgs-tér vákuumbeli várható értékének hányadosa µ: Higgszinók keveredési paramétere (ált. csak előjel) m A : az egyik Higgs-bozon tömege (de lecsatolódik)

15 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 15/52 SUSY-modellek A SUSY-sértés eredete ismeretlen: - különbözõ modellek - sok paraméter GMSB mgmsb 6 par MSSM 124 par MSSM megszorítva 6 par msugra 5 par A SM kiterjesztései Szuperszimmetria R-paritást sértõ modellek +45 par Mértékbozonos kommunikáció a látható világgal LSP = gravitinó Gravitációs kommunikáció a látható világgal LSP = c 1 0

16 Még rengeteg modell van Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 16/52

17 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 17/52 Kísérleti korlátozások, megszorítások SUSY-jelenséget nem észleltünk, negatív mérések a paraméterteret korlátozzák LEP-mérések: Higgs-szektor SM-Higgs tömege keresésből 116 < M H < 127 GeV; H h 0 Elektrogyenge adatok illesztése Semleges Higgs-bozonok (h és A) keresése BR(b sγ) mérések B-gyáraknál A müon anomális mágneses momentuma (BNL) WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): sötét anyag (DM) mennyisége, indirekt DM direkt (nem-)észlelése ν-detektorokkal

18 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 18/52 b sγ: FCNC-bomlás Ízváltoztató semleges áram SM tiltja tiszta hurokhatás SM W γ Új fizika léphet fel b t s Γ(b sγ) Γ(b Xeν) : CLEO, BELLE, BABAR átlaga: 3,35 +0, ,44 MSSM b +_ χ ~ u,c,t ~ ~~ γ s CLEO, Cornell SM: (3,22 ± 0,09) 10 3 Mérés: SM-lel egyezik MSSM-re korlátozás BABAR, Stanford BELLE, Tsukuba

19 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 19/52 A müon mágneses momentuma µ µ = g e 2m µ c S µ f g = 2 + Ο(α) + Ο(α ) Pontszerű Dirac-fermion: g = 2 Anomális rész: a = g 2 2 Többféle részecske többféle korrekció

20 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 20/52 Közvetlen SUSY-keresés Párban keletkezhet, csak másik SUSY-ra bomolhat (ha R megmarad) A legkönnyebb (LSP) stabil, semleges, észlelhetetlen skalár kvark: q q + g; q + χ 0 1 skalár lepton: l l + χ 0 1 gluínó: g q + q + χ 0 1 ; g + χ0 1 wínó: W e + ν e + χ 0 1

21 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 21/52 SUSY-keresés az LHC-nál Keress SM-várakozás fölötti többletet sokjetes, nagy ET miss eseményekből. Ha van, járd körbe, valódi-e. Ha valódi, hajts végre rajta előre egyeztetett SUSY-válogatást. Keress sajátos jellemzőket (pl. hosszú élettartamú skalár leptonokra). Keress b-jeteket, leptonpárokat, τ -t. Határozd meg a SUSY-paramétereket globális illesztéssel, levágások keresésével.

22 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 22/52 SUSY-keresés: tömegspektrum Tömegspektrum levágása: Pl. χ 0 2 l l l + l χ 0 1 m χ 0 2 M max ll = 1 m 2 l/m 2 χ m 2 χ /m 2 l 0 1

23 Collider Detector at Fermilab (CDF) Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 23/52

24 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 24/52 Pszeudorapiditás (η) p rész θ p nyaláb η = ln tg Θ 2 Hadronütköztetőknél polárszög helyett.

25 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 25/52 Pszeudorapiditás Hadronütköztetőknél polárszög helyett használatos mert a részecskehozam: dn/dω η

26 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 26/52 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

27 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 27/52 Rejtélyes események a CDF-ben Z (M = 371 GeV) e + e??

28 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 28/52 pp e + e γγ Elméleti cikkek özöne próbálta magyarázni SUSY??

29 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 29/52 A CMS SUSY-ellenőrzési pontjai SUSY benchmark points MSUGRA! Ott keresünk, ahol világos van LM: Low Mass HM: High Mass LM1 a kedvenc + LM

30 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 30/52 Ütközőnyaláb hozama: luminozitás L = fn N 1N 2 A f: körfrekvencia; n: csomagok száma N 1,N 2 részecske/csomag; A: nyalábok átfedése σ hkm-ű reakció gyakorisága ǫ hatásfoknál R = ǫσl Integrális luminozitás: (fb 1 ) Gyorsító ütközési időszak Ldt energia (fb 1 ) Tevatron 2 TeV ,7 LHC 7 TeV ,04 LHC 7 TeV ,6 LHC 8 TeV ,3

31 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 31/52 CMS: SUSY-tesztpontok A = 0 tanβ = 10 µ > 0

32 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 32/52 SUSY tesztpontok és a korlátozások Kék csík: WMAP-megengedte régió

33 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 33/52 eptonpárok tömegspektruma LM1-ben A = 0, µ > 0, tanβ = 10 m 0 = 60, m 1/2 = 250 GeV/c 2 Ldt = 1 fb 1 Jel: χ 0 2 l R l l + l χ 0 1 m( χ 0 2 ) = 180 m( l R ) = 119 m( χ 0 1 ) = 95 GeV/c2 Háttér: p + p t + t + X M max ll = (80.42 ± 0.48) GeV/c 2 MSSM jóslat: GeV/c 2

34 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 34/52 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Rettenetes SM háttér, az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

35 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 35/52 Példa: stop-keresés LM1-ben Stop-végállapot: b-jet + l ± + E miss Stop-jel: M inv (l ± b) levágás at E miss < 180 GeV Azonosítás: t 3 hadronzápor Jellegzetes W és t tömeg

36 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 36/52 SUSY-keresés: 2010 adatai CMS Collaboration, Phys.Lett.B698: ,2011. CMS Analysis Note SUS pas Az LM0 és LM1 modelleket kizárják 2010 CMS-adatai az ATLAS is, persze.

37 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 37/52 LHC, 2011: cmssm kizárva ATLAS eredménye hasonló

38 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 38/52 SUSY: hogyan tovább? Még ha SUSY igaz is, lehet, hogy MSSM vagy cmssm nem Ha találunk is új fizikát, honnan tudjuk, hogy az SUSY? Egyszerű modell könnyebb értelmezés A kaszkád-bomlások modellfüggőek LHC: fordított megközelítés Az adatból kell kiindulni, nem a modellből Egyszerűsített modellek, reakció kevés részecskével függés kevesebbféle tömegtől és reakcióvalószínűségtől szélesebb lehetőséggel többféle modelre lehet jellemző.

39 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 39/52 Egyszerűsített modellek Néhány részecske tömeghéjon, egyszerű topológia és bomlás Nem modell-független, de többféle modellre igaz Lehetséges új fizika jól leírt SM-alapon Mit tudhatunk meg az ilyen analízisból? Érzékenységi határokat kísérletre és új elméleti modellekre Új fizika lehetséges jeleit: milyen modellekre lehetnek jellemzők? Általánosabb modellekre rakhatók hatáskeresztmetszet-korlátok.

40 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 40/52 Egyszerűsített modellek topológiája Leptonok nélkül: gg g g 2(qq + LSP) qg q g qqq + 2 LSP) qq q q qq +2 LSP) és hozzátehetünk egy vagy több leptont

41 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 41/52 Egyszerűsített modell: példa Különböző végállapotok modellfüggetlen kizárása: CMS Collaboration, Search for Supersymmetry at the LHC in Events with Jets and Missing Transverse Energy, Phys. Rev. Lett. 107 (2011)

42 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 42/52 Újabb kizárási eredmény a CMS-től Search for supersymmetry in events with b-quark jets and missing transverse energy in pp collisions at 7 TeV, Phys.Rev. D86 (2012) Hadronos események neutrínó nélkül, hiányzó impulzus csak LSP-től g g 4 t-jets + LSPs Kizárás 95% konfidencia mellett gluínó-pár képződésére

43 CMS SUSY határok, 2012 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 43/52

44 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 44/52 Összefoglalás Nagy valószínűséggel sikerült megfigyelnünk a SM Higgs-bozonját vagy valami új bozont 0 (vagy 2) spinnel, pl. egy általánosabb modell Higgs-bozonját. Reménykedjünk valami eltérésben a SM-től, ha egyelőre semmi jele sincs. A legegyszerűbb SUSY-modelleket minden kísérlet kizárja (g-2, LEP, WMAP, LHC,...) Egyszerűsített eljárás: keresünk eltéréseket a SM-től egyszerű, jól leírt reakciókban Ha találunk, próbáljuk meg valamilyen SUSY-modellel értelmezni Igazítsuk az elméletet a kísérlethez, nem fordítva

45 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 45/52 Végszó Kísérletező: Mit kezdesz magaddal, ha a SUSY-t 2014-ben teljesen kizárjuk? Elmélész: Attól még messze vagyunk, az MSSM nem az egész SUSY. Egyébként meg mással is foglalkozom... Köszönöm a figyelmet és türelmet!

46 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 46/52 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal OTKA NK81447 és K EU FP6 MC-ToK és III Megértő együttműködő partnereink

47 m(ũ ) m( d ) Horváth m( c Dezső: Szuperszimmetria ) m( s ) > (0,6 MAFIHE Téli Iskola, ELTE,...0, p. )m( g) 47/52 MSSM-tömegspektrum: előítéleteink Ha szkeptikusak maradunk is, nem árt tudnunk, mire esküszik a modellépítők többsége (S.P. Martin után, szabadon) R-paritás nemigen sérül LSP: χ 0 1 vagy gravitínó Gluínó tömege M 3 m( g) m( χ 0 1 ),m( χ0 2 ),m( χ± 1 ) m(ũ i ) m( d i ) m( c i ) m( s i ) m( l i ) m(ũ i ) m( d i ) m( c i ) m( s i ) > (0,6 MSUGRA...0,8 GMSB )m( g) m(ũ L ) m(ũ R )...m( s L ) m( s R ) és m(ẽ L ) m(ẽ R ),m( µ L ) m( µ R ) mert M 2 L M2 R + 0,5m2 1/2. t 1, b 1 a legkönnyebb skvarkok LSP: χ 0 1 vagy gravitínó Gluínó tömege M 3 m( g) m( χ 0 1 ),m( χ0 2 ),m( χ± 1 ) m(ũ i ) m( d i ) m( c i ) m( s i ) m( l i )

48 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 48/52 Anomális m.m.: mérések Anomális mágneses momentum: a = g 2 2 Miért mérjük? a µ (SM) = a µ (QED) + a µ (weak) + a µ (hadr) + a µ (??) Eltérés mögött új fizika vagy pontatlan számítás 2006-os állapot: a e 10 9 a µ 10 9 QED-jóslat (4) (4) hadronkorrekcióval (8) kísérlet (BNL) (4) (6)

49 Brookhaveni (g-2) kísérlet Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 49/52

50 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 50/52 A hiányzó MSSM-menazséria Fajta spin R-paritás mérték-sajátállapot tömeg-sajátállapot Higgs-bozonok 0 +1 H 0 1,H0 2,H+ 1,H 2 h 0,H 0,A 0,H ± ũ L,ũ R, d L, d R u.a. szkvark 0-1 s L, s R, c L, c R u.a. t L, t R, b L, b R t 1, t 2, b 1, b 2 ẽ L,ẽ R, ν e u.a. szlepton 0-1 µ L, µ R, ν µ u.a. τ L, τ R, ν τ τ 1, τ 2, ν τ neutralínó 1/2-1 B 0, W 0, H 0 1, H 0 2 χ 0 1, χ0 2, χ0 3, χ0 4 chargínó 1/2-1 W ±, H + 1, H 2 χ ± 1, χ± 2 gluínó 1/2-1 g u.a. goldstínó 1/2-1 G u.a. gravitínó 3/2

51 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 51/52 Az LHC működésének első időszaka 1. Értsük meg a detektort: működés, trigger, kalibráció 2. Mennyire hiteles a szimulációnk? Leírja a SM folyamatait és a detektort? Egyezik a mért eloszlásokkal? 3. Keresd, amit vársz, vedd észre, amit nem vársz. Látunk eltérést (többletet) valamilyen eloszlásban a háttérszimulációhoz képest? Új fizika vagy hibás háttérbecslés? 4. Új fizika! Keresünk levágást valamilyen tömegeloszlásban. 5. Ha tényleg új fizika: SUSY vagy valami más? Melyik modell? Milyen paraméterekkel?

52 Horváth Dezső: Szuperszimmetria MAFIHE Téli Iskola, ELTE, p. 52/52 A CMS felfedezési stratégiája α T -válogatás 2 hadronzáporos eseményekben (E T (J 1 ) > E T (J 2 )): α T = E T(J 2 ) = M T (J 1,J 2 ) E T (J 2 ) (ET (J 1 )+E T (J 2 )) 2 (p x (J 1 )+p x (J 2 )) 2 (p y (J 1 )+p y (J 2 )) 2 Exkluzív 2-jetes, inkluzív 3-jetes keresés Jetek + H T > 2 jetre, inkluzív Skaláris imp.-összeg: H T = i p T (J i) ; Hiányzó transzverzális imp.: MHT = H T = i p T (J i) Razor (borotvás): kinematikai konzisztencia nehéz részecskék párban való keltésére Két jet (M R inv. tömeggel) + 0 vagy 1 lepton