Szuperszimmetria és keresése az LHC-nál Elméleti fizikai iskola, Gyöngyöstarján,

Szuperszimmetria és keresése az LHC-nál Elméleti fizikai iskola, Gyöngyöstarján, 2007.11.06. Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 1. fólia p.1

Vázlat Irodalom: A Standard Modell problémái. A Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell. Korlátozó kísérletek Elektrogyenge adatok illesztése BR(b sγ) mérések B-gyáraknál A müon anomális mágneses momentuma (BNL) WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) DM direkt (nem-)észlelése ν-detektorokkal Az MSSM részecskék keresése. S.P. Martin: A supersymmetry primer, hep-ph/9709356, 2006 Luc Pape és Daniel Treille: Supersymmetry facing experiment: much ado (already) about nothing (yet), Rep. Prog. Phys. 69 (2006) 2843 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 2. fólia p.2

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: 8 + 3 + 1 + 1 = 13 bozon 3 2 (2 + 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? Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 3. fólia p.3

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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 4. fólia p.4

Csatolási állandók 60 50-1 (µ) α 1 Standard Model 40 30-1 (µ) α 2 20 10-1 (µ) α 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 log 10 (µ [GeV]) α i : SU(i) csat. állandója Majdnem találkoznak µ 10 13 10 16 GeV-nél Egyesíthetők a kölcsönhatások? Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 5. fólia p.5

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 > 10 14 GeV! Higgs-paraméterek hangolása 10 12 pontosságig! Ha lenne nehéz skalár részecskepár: 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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 6. fólia p.6

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? Minimális SUSY-menazséria (MSSM) Királis multiplettek mérték-multiplettek S=1/2 S=0 S=1 S=1/2 kvark: q L, q R szkvark: q 1, q 2 foton: γ fotíno: γ lepton: l L, l R szlepton: l 1, l 2 gyenge W ± wino: W ± bozonok Z zino: Z higgszínó: Φ, Φ Higgs: Φ, Φ gluon: g gluínó: g Skalár fermion: szfermion, bozon párja: bozínó Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 7. fólia p.7

A fermionok MSSM-partnerei Leptonok (S = 1 2 ) skalár leptonok (S = 0) e, µ, τ ẽ, µ, τ ν e, ν µ, ν τ ν e, ν µ, ν τ Kvarkok (S = 1 2 ) skalár kvarkok (S = 0) u, d, c, s, t, b ũ, d, c, s, t, b X L, X R X 1, X 2 Antirészecske antipartner Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 8. fólia p.8

A bozonok MSSM-partnerei Elemi bozon spin SUSY-partner spin foton: γ 1 fotínó: γ (bínó: B 0 1 ) 2 gyenge bozonok: 1 wínó: W +, W ( W 0 1 ) 2 Z, W +, W 1 1 zínó: Z 2 1 gluonok: g 1,... g 8 1 8 gluínó: g 1,... g 8 2 1 Higgs-terek 0 higgszínók 2 H 0 1, H0 2, H+ 1, H 2 H 0 1, H 0 2, H + 1, H 2 graviton 2 gravitínó Párosítás minden spontán szimmetriasértés (SUSY-sértés, Higgs-mechanizmus) előtt Azonos számú szabadsági fok: S = 1 bozonoknál 2 helicitás Közös nevük gaugino (mértékínó?) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 9. fólia p.9 3 2

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 szrészecske Ha R megmarad, legkönnyebb szrészecske (LSP) stabil R-paritás nagyon nem sérülhet: látnánk Ha LSP semleges: sötét anyag lehet (ρ 0, 1 GeV/cm 3!!) MSSM: R-paritás megmarad Spontán Higgs-mechanizmus: nagy negatív top-korrekciók V (Φ) µ 2 -es tagjához Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 10. fólia p.10

MSSM: menazséria Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 11. fólia p.11

MSSM: mértékcsatolási állandók Sok új részecske több hurokkorrekció Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 12. fólia p.12

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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 13. fólia p.13

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 bár a SUSY-t már 50%-ig felfedeztük!! (a SUSY-részecskék felét (1 híján :-) látjuk...) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 14. fólia p.14

SUSY-sérülés mechanizmusa Lagrange-sűrűségben SUSY-sértő potenciál Sértés nem kicsi, mert SUSY-részecskék nehezek Szleptonok-leptonok nem keverednek másokkal m(ẽ 1 ) 2 + m(ẽ 2 ) 2 = 2m(e) 2?? SUSY sértés eredete Rejtett szektor Ízre érzéketlen kölcsönhatás MSSM Látható szektor Rejtett szektor szimm-sértése (vákuum-várható értéke, VEV) F Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 15. fólia p.15

SUSY-sértés mechanizmusai: PMSB PMSB (msugra): Planck-scale mediated SUSY-breaking, minimális szupergravitáció Planck-energiánál (M P 10 19 GeV) új fizika gravitációval Látható szektorban m soft F/M P tagok m soft párszáz GeV SUSY-sértés skálája F 10 10 10 11 GeV Szuper-Higgs-mechanizmus Gravitínó tömege m 3/2 F/M P többi MSSM-részecskéé Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 16. fólia p.16

SUSY-sértés mechanizmusai: GMSB GMSB: Gauge-mediated SUSY-breaking SUSY-sértő kh: elektrogyenge és QCD új hordozórészecskével Messenger: új szupermultiplett csatolás sp. szimm.-sértő térrel (VEV: F ) U(1) Y SU(2) L SU(3) C kölcsönhatás MSSM-szektorral m soft α a 4π F M mess tagok α a 4π : huroktényező; F M mess 10 4 GeV Szuper-Higgs-mechanizmus gravitínó tömege m 3/2 F/M P többi MSSM-részecskéé LSP = gravitínó, könnyű és észlelhetetlen (csak grav. kh.) GMSB-t emiatt kevésbé szeretjük! Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 17. fólia p.17

A MSSM tömeg-sajátállapotai Elektrogyenge szimmetria-sértés MSSM-fermionok keverednek tömeg-sajátállapotok {Elektrogyenge gaugínók + higgszínók} {chargínók és neutralínók } { γ, W ±, Z; H 0 1, H 0 2, H ± } { χ ± 1, χ± 2 ; χ0 1, χ0 2, χ0 3, χ0 4 } tömeg nő az index-szel Legkönnyebb SUSY-részecske (LSP) msugra: χ 0 1 vagy GMSB: gravitínó ( G) SUSY-sérülés rengeteg (> 100) új paraméter tömegek, csatolások, keveredések Rengetegféle SUSY-modell, óriási paramétertér, különféle korlátozás. Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 18. fólia p.18

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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 19. fólia p.19

Az MSUGRA-modell paraméterei Sok egyszerűsítő megszorítás (határfeltétel), > 100 5 vagy 6 paraméter, pl.: m 1/2 : szfermiontömegek a nagy egyesítés energiájánál (GUE 10 14 10 15 GeV) m 0 : bozínótömegek (GUE) A 0 : SUSY-sértő hármas (X Y Higgs) csatolási állandók (GUE) tan β = v 1 /v 2 : felső és alsó Higgs-tér vákuumbeli várható értékének hányadosa m A : az egyik Higgs-bozon tömege µ: higgszinók keveredési paramétere (ált. csak előjel) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 20. fólia p.20

Az GMSB-modell paraméterei M mess : messenger-skála, átlagos messenger-tömeg Λ = F/M mess : a messenger-szupermultiplett skalár komponenseinek tömeg-felhasadása. N 5 10: messenger-index tan β = v 1 /v 2 : Higgs-terek VEV-aránya sign(µ): higgszínó-keveredés...: egyet még időnként hozzátesznek... Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 21. fólia p.21

Még rengeteg modell van Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 22. fólia p.22

C(onstrained)MSUGRA vagy CMSSM Elméleti korlátozások, megszorítások A 0 0 signµ = + 10 tan β 50 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 23. fólia p.23

Kísérleti korlátozások, megszorítások SUSY-jelenséget nem észleltünk, negatív mérések a paraméterteret korlátozzák LEP-mérések: Higgs-szektor SM-Higgs tömege keresésből M H > 114.4 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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 24. fólia p.24

A SM érzékenysége Higgs tömegre Illesztés jósága Higgs-tömeg függvényében különböző elméleti becslésekre Legjobb: m H 85 GeV De LEP: 114 GeV < M H (sárga) χ 2 6 5 4 3 2 Theory uncertainty α (5) α had = 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q 2 data m Limit = 144 GeV Illesztés: M H < 144 GeV (95 % konfidencia χ 2 = 2, 7) 1 Excluded Preliminary 0 30 100 300 m H [GeV] LEP Electroweak Working Group http://lepewwg.web.cern.ch/lepewwg/ Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 25. fólia p.25

b sγ: FCNC-bomlás Ízváltoztató semleges áram SM tiltja tiszta hurokhatás SM W 00 11 01 00 11 γ Új fizika léphet fel b t 00 11 01 00 11 01 00 11 00 11 s Γ(b sγ) Γ(b Xeν) : CLEO, BELLE, BABAR átlaga: +0, 50 3, 35 10 3 0, 44 MSSM b +_ χ ~ u,c,t ~ ~~ 00 11 01 00 11 00 11 01 00 11 01 00 11 00 11 γ s CLEO, Cornell SM: (3, 22 ± 0, 09) 10 3 Mérés: SM-lel egyezik MSSM-re korlátozás BABAR, Stanford BELLE, Tsukuba Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 26. fólia p.26

A müon mágneses momentuma µ µ = g e 2m µ c S µ + + + +... f g = 2 + Ο(α) + Ο(α ) +... 2 Pontszerű Dirac-fermion: g = 2 Anomális rész: a = g 2 2 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 27. fólia p.27

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 1159652.4 (4) 1165847.190 (4) hadronkorrekcióval 1165918.6 (8) kísérlet (BNL) 1159652.186 (4) 1165920.8 (6) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 28. fólia p.28

Brookhaveni (g-2) kísérlet Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 29. fólia p.29

Brookhaveni (g-2) kísérlet Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 30. fólia p.30

Kozmikus háttérsugárzás Arno Penzias és Robert Wilson, 1964 (Nobel-díj, 1978) Kiszűrhetetlen mikrohullámú háttérsugárzás Modell: T=3 K kozmikus sugárzás (CMB) COBE: COsmic Background Experiment T = 2, 728 K, pontos Planck-eloszlás eredetileg 3000 K-es fotonok lehülése (1000-szeres!) táguláskor Helyi irány-anizotrópia: magok galaxisok kialakulásához Megerősítés, sokkal pontosabban: WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe John C. Mather és George F. Smoot (COBE): Nobel-díj, 2006 A COBE űrszonda Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 31. fólia p.31

A COBE anizotrópiája Vörös = 2,721 K kék = 2,729 K Dipól: Nap mozgása Tejútrendszer Maradék anizotrópia Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 32. fólia p.32

A WMAP anizotrópiája, 2001-2003 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 33. fólia p.33

A WMAP eredménye, 2001-2003 Akusztikus spektrum: rezgési módusok Csúcsok helye: sötét anyag nem barionos Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 34. fólia p.34

Sötét anyag Spirálgalaxisok sebessége kifelé nem csökken, pedig Kepler II: v = GM(r) r Sokkal több gravitáló anyag, mint látható Micsoda? WIMP... SUSY?? Látható tömegsűrűség luminozitás: ρ lum (r) I(r) De ρ M (r) ρ lum (r)! Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 35. fólia p.35

Univerzum anyagösszetétele Jelenleg: lapos, anyag-dominálta Univerzum: (Ω M >> Ω R ) Barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, por, gáz): Ω B 4% Csomósodó, nem-barionos, hideg sötét anyag (galaxisok spirálkarjai): Ω CDM 26% Gyorsuló tágulás: sötét energia Ω Λ 70% Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 36. fólia p.36

WMAP utáni CMSSM Hideg sötét anyag sűrűsége (nagy távolságokra átlagolva) < ρ DM > 1, 2 10 6 GeV/cm 3 Tejútrendszer dinamikája ρ itt DM 0, 3 GeV/cm3!! WIMP: Weakly Interacting Massive Particle? Remek jelölt: LSP χ 0 1, ν, G ν kiesik (direkt keresés ν-detektorokkal), gravitínót nehéz megfigyelni (:-) Megszorítás: Megfigyelt ρ DM összeegyeztethető-e: korai Univerzum: LSP + más SUSY-rész. annihiláció hatáskeresztmetszetével közönséges részecskékre; most: LSP + LSP annihilációéval? Komoly korlátok MSSM paraméter-terében M. Battaglia et al, Eur. Phys. J. C33 (2004) 273 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 37. fólia p.37

MSSM-tömegspektrum: előítéleteink Ha szkeptikusak is maradunk, nem árt tudnunk, miket gondol 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 szkvarkok és τ 1 a legkönnyebb töltött szlepton (keveredés, Higgs-csatolás) m(h 0 ) 150 GeV m(a), m(h ± ), m(h 0 ) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 38. fólia p.38

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 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 39. fólia p.39

SUSY-keresés Párban keletkezhet, csak másik SUSY-ra bomolhat (ha R megmarad) A legkönnyebb (LSP) stabil, semleges, észlelhetetlen Jele: hiányzó energia Tipikus SUSY-bomlások (LSP = χ 0 1 ): szkvark: q q + g; q + χ 0 1 szlepton: l l + χ 0 1 gluínó: g q + q + χ 0 1 ; g + χ0 1 wínó: W e + ν e + χ 0 1 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 40. fólia p.40

SUSY-keresés az LHC-nál Keress SM-várakozás fölötti többletet sokjetes, nagy eseményekből. E miss T Ha van, járd körbe, valódi-e. Ha valódi, hajts végre rajta előre egyeztetett SUSY-válogatást. Keress sajátos jellemzőket (pl. hosszú-élettartamú szleptonokra). Keress b-jeteket, leptonpárokat, τ -t. Határozd meg a SUSY-paramétereket globális illesztéssel, levágások keresésével. Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 41. fólia p.41

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 /m2 χ 0 2 1 m 2 χ /m 2 l 0 1 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 42. fólia p.42

SUSY-keresés: PDG-2006 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 43. fólia p.43

Collider Detector at Fermilab (CDF) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 46. fólia p.46

Pszeudorapiditás (η) Hadron- és nehézion-ütközések fontos jellemzője p rész η = ln tg Θ 2 θ p nyaláb Polárszög helyett használatos Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 47. fólia p.47

CDF-esemény: tt eνµνbb Eseményszám vs. (Φ, η) Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 48. fólia p.48

Rejtélyes események a CDF-ben Z (M = 371 GeV) e + e?? Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 49. fólia p.49

pp e + e γγ Elméleti cikkek özöne próbálta magyarázni SUSY?? Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 50. fólia p.50

CDF: Halloween foton + jet Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 51. fólia p.51

A CMS SUSY-ellenőrzési pontjai SUSY benchmark points MSUGRA! Ott keresünk, ahol világos van LM: Low Mass HM: High Mass LM1 a kedvenc Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 52. fólia p.52

CMS: SUSY-tesztpontok A = 0 tan β = 10 µ > 0 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 53. fólia p.53

SUSY tesztpontok és a korlátozások Kék csík: WMAP-megengedte régió Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 54. fólia p.54

USY elérési pontok µ ± µ ± eseményekkel Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 55. fólia p.55

USY elérési pontok µ ± µ ± eseményekkel Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 56. fólia p.56

Leptonpárok tömegspektruma LM1-ben A = 0, µ > 0, tan β = 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: 81.04 GeV/c 2 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 57. fólia p.57

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 2001-2006 2,5 LHC 14 TeV első pár nap 0,1 LHC 14 TeV első pár hónap 1 LHC 14 TeV első év (kis int.) 10 Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 58. fólia p.58

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? Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 59. fólia p.59

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 10 6 10 3 Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér. Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 60. fólia p.60

MSSM Low Mass 1 (LM1): stop-keresés Gluino dominálja: σ tot ( g) = 49.66 pb m( g) = 611 GeV; m( t 1 ) = 411 GeV; m( χ + 1 ) = 180 GeV m( χ 0 2 ) = 180 GeV; m( χ0 1 ) = 95 GeV; χ0 2 χ0 1 Z BR( g t 1 t + t 1 t) = 2 3.21%; BR( t 1 b χ + 1 ) = 63% BR( χ + 1 ν lll) = 3 18%; BR( ν χ 0 1ν) 100% BR( χ + 1 τ 1ν τ ) = 41%; BR( τ 1 χ 0 1τ) = 100% Keresési csatorna: g t 1 t t bw bqq t 1 b χ + 1 bl+ + E miss BR( g jel) = 1.5% Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 61. fólia p.61

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 LM1 stop MC és CMS-rekonstrukció + ROOT: 6630 generált t 1 esemény (100 /fb) Azonos válogatás generált és rekonstruált eseményekre BR(t t 1 signal) = 23% 1500 jó esemény Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 62. fólia p.62

Top és W rekonstrukció tiszta jelre Generált Izolált lepton + legalább 3 izolált jet j 1 + j 2 legközelebb M jj inv = 80.4 GeV-hez, j 3 M 3j inv = 174.3 GeV Events GenWmass 800 700 600 500 400 300 Generated 2j-mass closest to W GenWmass Entries 1743 Mean 80.6 RMS 5.374 2 χ / ndf 26.9 / 37 p0 2968 ± 75.2 p1 1.992 ± 0.082 p2 80.54 ± 0.04 Nlep=1 Njet>3 ptlep>30 ptjet>20 DRjet>0.6 Events GentMass 600 500 400 300 200 Generated 3j-mass closest to t GentMass Entries 1743 Mean 174.2 RMS 16.01 2 χ / ndf 194 / 59 p0 3920 ± 102.5 p1 4.175 ± 0.168 p2 174.2 ± 0.1 Events GentMassW 600 500 400 300 200 GentMassW Entries 1697 Mean 173.8 RMS 15.23 2 χ / ndf 175.6 / 56 p0 3865 ± 99.5 p1 4.132 ± 0.166 p2 174.2 ± 0.1 Generated 3j-mass closest to t, M(W)<90 2005-07-23 10:55:22 200 100 100 100 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv Rekonstruált Events RecWmass 500 400 300 RecWmass Entries 2734 Mean 82.23 RMS 12.32 2 χ / ndf 133.2 / 73 p0 4571 ± 89.8 p1 6.066 ± 0.183 p2 80.61 ± 0.08 Reconstructed 2j-mass closest to W Events RectMass 140 120 100 80 Reconstructed 3j-mass closest to t RectMass Entries 2734 Mean 179.4 RMS 32.43 2 χ / ndf 114 / 79 p0 6887 ± 140.2 p1 30.86 ± 0.94 p2 174.2 ± 0.4 Events RectMassW 140 120 100 80 RectMassW Entries 2397 Mean 176.3 RMS 29.75 2 χ / ndf 88.48 / 79 p0 6185 ± 131.9 p1 28.22 ± 0.87 p2 173.6 ± 0.4 Reconstructed 3j-mass closest to t, M(W)<90 200 60 60 40 40 100 20 20 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv Lorentz fitt: M jj rec = 80.6 M3j rec = 174.2 Mjj inv < 90 nem segít Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 63. fólia p.63

Standard LM1 MC (20k esemény) Events GenWmass 800 700 600 500 400 Generated 2j-mass closest to W GenWmass Entries 1673 Mean 81.97 RMS 10.36 χ 2 / ndf 55.28 / 50 p0-2.092 ± 2.641 p1 0.0675 ± 0.0519 p2-0.0003108 ± 0.0002413 p3 2711 ± 84.4 p4 1.636 ± 0.107 p5 80.63 ± 0.04 Nlep=1 Njet>3 ptlep>30 ptjet>20 DRjet>0.6 Events GentMass 180 160 140 120 100 80 Generated 3j-mass closest to t GentMass Entries 1673 Mean 190.6 RMS 46.95 χ 2 / ndf 67.89 / 31 p0-202.3 ± 24.0 p1 2.626 ± 0.283 p2-0.007263 ± 0.000769 p3 1692 ± 190.7 p4 8.766 ± 1.429 p5 174.2 ± 0.3 Events GentMassW 180 160 140 120 100 80 GentMassW Entries 1557 Mean 187.3 RMS 43.14 χ 2 / ndf 80.16 / 31 p0-187.7 ± 24.2 p1 2.464 ± 0.286 p2-0.0069 ± 0.0008 p3 1748 ± 210.6 p4 9.427 ± 1.613 p5 174.4 ± 0.4 Generated 3j-mass closest to t, M(W)<90 2005-07-25 16:07:55 Generált 300 60 60 200 40 40 100 20 20 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Minv 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Minv Events RecWmass 100 RecWmass Entries 1512 Mean 89.4 RMS 25.83 χ 2 / ndf 186.3 / 67 p0-1.389 ± 2.879 p1 0.1614 ± 0.0507 p2-0.0008552 ± 0.0002131 p3 1653 ± 67.7 p4 10 ± 0.0 p5 80.13 ± 0.30 Reconstructed 2j-mass closest to W Events RectMass 50 Reconstructed 3j-mass closest to t RectMass Entries 214.4 1512 Mean RMS 63.24 χ 2 / ndf 22.75 / 31 p0-169.2 ± 21.0 p1 2.108 ± 0.246 p2-0.00555 ± 0.00067 p3 426.2 ± 90.4 p4 10 ± 5.9 p5 176.7 ± 1.2 Events RectMassW 50 40 RectMassW Entries 978 Mean 198.1 RMS 53.94 χ 2 / ndf 34.02 / 31 p0-123.5 ± 18.2 p1 1.587 ± 0.212 p2-0.004298 ± 0.000578 p3 422.9 ± 82.5 p4 10 ± 5.9 p5 176.5 ± 1.1 Reconstructed 3j-mass closest to t, M(W)<90 80 60 40 30 30 Rekonstruált 40 20 20 20 10 10 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Minv 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Minv M rec W = 176.7 ± 1.2 GeV = 80.1 ± 0.3 GeV; Mrec t Keskenyebb Lorentzet erőltetve rossz háttér-fitt Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 64. fólia p.64

Háttér: pp tt MC (10k esemény) GenWmass Events 40 35 30 25 Generated 2j-mass closest to W Nlep=1 Njet>3 ptlep>30 ptjet>20 DRjet>0.6 MET>120 GenWmass Entries 94 Mean 79.6 RMS 2.794 χ 2 / ndf 3.951 / 8 Area 166.6 ± 18.0 Width 2.255 ± 0.369 Center 79.78 ± 0.20 GentMass Events 16 Generated 3j-mass closest to t 14 0.8<DRWjj<3.0; 0.8<DRWtj<3.3 12 79<MW<82 10 GentMass Entries 43 Mean 176 RMS 7.212 χ 2 / ndf 2.732 / 5 Area 131.7 ± 23.2 Width 4.567 ± 1.482 Center 174.5 ± 0.5 Generált 20 8 15 6 10 4 5 2 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv RecWmass Events 10 Reconstructed 2j-mass closest to W 8 RecWmass Entries 108 Mean 82.31 RMS 12.8 χ 2 / ndf 11.17 / 26 Area 235.6 ± 28.4 Width 19.83 ± 3.96 Center 82.26 ± 1.27 RectMass Events 4 Reconstructed 3j-mass closest to t 3.5 0.7<DRWjj<3.2; 1.0<DRWtj<3.3 76<MW<86 3 RectMass Entries 33 Mean 184.8 RMS 34.31 Rekonstruált 6 4 2.5 2 1.5 Nlep=1 Njet>3 ptlep>30 ptjet>20 DRjet>0.6 MET>120 2 1 0.5 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Minv 0 50 100 150 200 250 300 Minv Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 65. fólia p.65

Stop @ LM1: M inv (l ± j 4 ) with E miss Tiszta LM1 stop Teljes LM1 minta Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 66. fólia p.66

Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T042864, T046095 és NK67974 EU FP6 MC-ToK 509252 és III 031688 Megértő együttműködő partnereink Horváth Dezső: SUSY-keresés az LHC-nál Gyöngyöstarján, 2007.10.28. 67. fólia p.67