11

Вопросы по третьей лекции :

I. Какие поля являются многомерными (живут в полном объеме) в модели ADD? A) все поля B) гравитационное и калибровочное C) калибровочное D) гравитационное

II. Радион это: A) скаляр B) спинор C) вектор D) антисимметричный тензор

III. В модели ADD радиусы дополнительных пространственных измерений могут быть A) любыми B) не больше 1/ТэВ, т.к. иначе нарушаются закономерности стандартной модели взаимодействий, проверенные на экспериментах с высокой точностью C) не больше нескольких микрон, как дают гравитационные эксперименты (по поиску отклонений от закона Ньютона) D) очень малыми (планковскими

22

Большие дополнительные пространственные измерения:многомерная ТП и гравитация масштабе ТэВ.

Савина МарияЛФЧ, ОИЯИ

Лекция 4: Экспериментальное наблюдение сигналов от новой физики

Краткий план:

• Экспериментальные установки на LHC

• Структура детекторов и их свойства (достижимое разрешение по энергии и координате) в соответствии с выбранными физическими задачами

• Что мы будем измерять – выбор экспериментальных сигналов

• Максимально достижимая масса резонансов и верхний предел на видимость отклонений для нерезонансных состояний, теоретические и экспериментальные погрешности

• Примеры сигналов от разных моделей с ED

33

Экспериментальные установки на LHC

44

Большой Адронный Коллайдер, LHC

55

Total weight 7000 tOverall Diameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 m

Total weight 12 500 tOverall diameter 15.00 mOverall length 21.6 mMagnetic filed 4 Tesla

Large general-purpose particle physics detectorsATLAS and CMS ExperimentsATLAS and CMS Experiments

Detector subsystems are designed to measure:the energy and momentum of photons, electrons, muons, jets, missing ET

66

Мюонные камеры Внутренний трекер

Электромагнитный калориметр, ECALАдронный калориметр, HCAL

Передний калориметр, HF

Сверхпроводящая обмотка соленоида

диаметр 6 м, длина 13 м

Возвратное железное ярмо

вес - 14500 тондиаметр - 14,60 м, длина - 21,60 м, магнитное поле - 4 Тесла

Компактный Мюонный Соленоид - CMS

77

Наземный и подземные комплексы CMS

Surface building (SX)Delivered January 2000

Experimental cavern (UX)Ready April 2004?

Service cavern (US) LHC tunnelPillar

Наземный зал SX5

Экспериментальный зал UX5

Зал управления и обслуживания US5 Тоннель LHC Защита

88

Поперечный разрез детектора CMS

99

Принцип

““МатрешкаМатрешка” ” или или ““луковицалуковица” ” - - структура структура детектирующих детектирующих слоев размещенная слоев размещенная в магнитном полев магнитном поле

1010

Регистрация фундаментальных частиц

SM Fundamental Particle Appears As

(ECAL shower, no track)e e (ECAL shower, with track) (ionization only)g Jet in ECAL+ HCALq = u, d, s Jet (narrow) in ECAL+HCALq = c, b Jet (narrow) + Decay Vertex t W +b W + be Et missing in ECAL+HCAL l + +l Et missing + charged leptonW l + l Et missing + charged lepton, Et~M/2Z l+ + l- charged lepton pair l + l Et missing in ECAL+HCAL

1111

Поперечный разрез детектора CMS

1212

Что мы будем измерять на LHC? – экспериментальные наблюдаемые, сигналы новой физики

-Тяжелые узкие резонансы в области Тэв (КК-моды гравитона, калибровочных бозонов, полей материи – в самом общем случае)

- Отклонения от регулярного поведения сечений стандартной модели (превышение над фоном или, наоборот, провалы, не предсказываемые СМ).

- Редкие процессы и процессы, запрещенные в СМ

- Всякая экзотика, вроде рождения черных дыр на ускорителе

- «Струноподобные» состояния, если верить в то, что фундаментальный масштаб (он же – струнный масштаб) действительно порядка Тэв…

Все это можно будет наблюдать в лептонных или адронных каналах распада

(лептонные предпочтительней, с экспериментальной точки зрения, из-за

более благоприятного соотношения сигнал-фон)

1313

Di-lepton, di-jets and di-photon resonance states (new particles) in RS1-model (RS1-graviton) and TeV-1 extra dimension model (ZKK)

Di-leptons, di-jets continuum modifications (virtual graviton production in ADD)

Single Jets/Single Photons + Missing ET (direct graviton production in ADD)

Single Leptons + missing ET in WKK decays in TeV-1 extra dimension model (WKK)

Back-to-back energetic jets + Missing ET (UED)

4 jets + 4 leptons + Missing ET (mUED)

Experimental SignalsExperimental Signals

1414

Experimental UncertaintiesExperimental Uncertainties

Energy MisCalibrationEnergy MisCalibration performance of e/performance of e//hadron energy /hadron energy reconstruction.reconstruction.

Misalignment effect Misalignment effect increase of the mass residuals by around increase of the mass residuals by around 30%30%

Drift timeDrift time and drift velocities and drift velocities

Magnetic and gravitational field effects Magnetic and gravitational field effects can cause a scale can cause a scale shift in a mass resolution by 5-10%shift in a mass resolution by 5-10%

Pile-up Pile-up mass residuals increase by around 0.1–0.2 %mass residuals increase by around 0.1–0.2 %

Background uncertainties (variations of the bg. shape) Background uncertainties (variations of the bg. shape) a drop of about 10-15% in the significance valuesa drop of about 10-15% in the significance values

Trigger and reconstruction acceptance uncertaintiesTrigger and reconstruction acceptance uncertainties

1515

Some theoretical uncertaintiesSome theoretical uncertainties

QCD and EW high-order corrections (K factors)QCD and EW high-order corrections (K factors)

Parton Distribution Functions (PDF)Parton Distribution Functions (PDF)

Hard process scale (QHard process scale (Q22))

Cut efficiency, significanceCut efficiency, significance estimators.. estimators..

1616

Неопределенности, связанные с PDFФеноменологическое происхождение PDF обуславливает одну из

систематических погрешностей при измерении сечения процессов взаимодействия на эксперименте.

1. Оценки сечений для разных наборов PDF дают разные значения, в пределахпогрешности +-7% для Mll>1 ТэВ

2. Внутренние неопределенности - для одного и того же набора. Связаны с ошибками «глобальногофита» по всем экспериментальным данным И погрешностям (нет понятия – один «лучший» фит, Есть набор альтернативных фитов, дляНастройки разных свободных параметров PDF). Растут в области больших x и Q2, а также В области малых х.

Важно для нерезонансных сигналов – 10-15 % для масштаба 3 ТэВ,Снижает верхний предел достижимой массы.(n=3 ADD – c 7.5 ТэВ до 6.5 ТэВ).

STEQ6M: x=10-3 – 10-4, 2.6 (6) % u(d) кваркx=0.6-0.7 100%

1717

Примеры анализа сигналов от моделей с дополнительными измерениями

1818

ADD scenario – flat bulk space, large extra dimensions, d=2-6. Arkani-Hamed et el., Phys. Lett. B 429, 263 (1998), I. Antoniadis et al., Phys Lett. B 436, 257 (1998)

• Infinite tower of KK graviton excitations G(K) with m2 k2/R2 (very light) and spin 2

• Interaction of an individual state G(K) with SM fields is strongly suppressed by 1/MPl . But:

• Our world is (4+d) dimensional

• SM fields live on the 4D-brane while gravity can propagate in n flat extra compactified dimensions

• Large multiplicity due to small mass splitting (~ 10-3 eV) enhances interactions

)()),,(,( 20

NWZjetgggff S

KK

is enough for experimental observation

ENM

EeePl

misT 2~

dEREN ~

2

2~

dmisT M

EE

Eee

1919

K. Cheung and G. Landsberg, PRD62T. Ham, J.D. Lykken, R.-J.Zhang, PRD59

ADD – обмен виртуальными гравитонами

2020

Virtual graviton productionVirtual graviton productionADD Discovery limitADD Discovery limit

1 fb-1: 3.9-5.5 ТеV for n=6..310 fb-1: 4.8-7.2 ТеV for n=6..3100 fb-1: 5.7-8.3 ТеV for n=6..3300 fb-1: 5.9-8.8 ТеV for n=6..3

I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/076CMS PTDR 2006

Confidence limits for

two muons in the final state PYTHIA + CTEQ6L, LO + K=1.30 Full (GEANT-4) simulation/reco + L1 + HLT(riger) Theoretical uncert. Misalignment, trigger and off-line reco inefficiency, acceptance due to PDF

2121

s=14 TeVL=100 fb-1

ETmiss (GeV)

jW(e/μ )jW(τ)jZ()Tot back=2 MD=4 TeV=2 MD=8 TeV=3 MD=5 TeV=4 MD=5 TeV

ADD Discovery limitADD Discovery limitReal graviton productionReal graviton production

jet + G jet + high missing ET

Bckgr.: Z/W + jet jet + + /jet + l +

ISAJET with CTEQ3L Fast simulation/reco MMDD= = 7.7, 6.2, 5.27.7, 6.2, 5.2

TeVTeVfor n = for n = 2,3,42,3,4

MMDD= = 1 – 1.5 1 – 1.5 TeV for 1 fbTeV for 1 fb--

11

2- 2.5 2- 2.5 TeV for 10 fbTeV for 10 fb--

11

3- 3.5 3- 3.5 TeV for 60 fbTeV for 60 fb--

11

2222

RS1 ModelRS1 Model

Model Parameters:Curvature: k (~M)Compactification radius: rCoupling constant: c = k/Ml

Gravity scale : Λπ=Mle-krπ

L.Randall, R.Sundrum (RS scenario), PRL83 3370 (1999)

5D curved space with AdS metric:

Signals:Narrow, high-mass resonances states in di-leptons, di-jets, di-photons events:

jetjet,,,eeGgg,qq KK

2323

RS1 Discovery LimitRS1 Discovery Limit

two muons/electrons in the final state Bckg: Drell-Yan/ZZ/WW/ZW/ttbar PYTHIA/CTEQ6L LO + K=1.30 both for signal and DY Full (GEANT-4) and fast simulation/reco Viable L1 + HLT(riger) cuts Theoretical uncert. Misalignment, trigger and off-line reco inefficiency, pile-up

Di-lepton statesDi-lepton states I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104CMS PTDR 2006

B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083CMS PTDR 2006

GG11μμ++μμ--

GG11ee++ee--

c=0.1100 fb-1

c=0.01100 fb-1

2424

Bckg: QCD hadronic jets L1 + HLT(riger) cuts

RS1 Discovery LimitRS1 Discovery Limit

two photons in the final state Bckg: prompt di-photons, QCD hadronic jets and gamma+jet events, Drell-Yan e+e-

PYTHIA/CTEQ5L LO for signal, LO + K-factors for bckg. Fast simulation/reco + a few points with full GEANT-4 MC Viable L1 + HLT(riger) cuts Theoretical uncert. Preselection inefficiency

Di-photon statesDi-photon states

GG11

Di-jet statesDi-jet states

55 Discovered Mass: 0.7-0.8 TeV/c Discovered Mass: 0.7-0.8 TeV/c22

c=0.1

2525

TeVTeV-1-1 Extra Dimension Model Extra Dimension ModelI. Antoniadis, 1991 Multi-dimensional space with orbifolding (5D in the simplest case, n=1) The fundamental scale is not planckian: MS ~ TeV Gauge bosons can travel in the bulk Fermion-gauge boson couplings can be exponentially suppressed for higher KK-modes Fundamental fermions can be localized at the same (M1) or opposite (M2) points of orbifold destructive or constructive interference with SM model

ppZ1/1e+e-

G. Azuelos, G. Polesello EPJ Direct 10.1140 (2004)

2626

5 discovery limit of

(M1 model)

ATLAS expectations for e and μ:PYTHIA + Fast simu/reco + Theor. uncert.RR-1-1 = 5.8 TeV = 5.8 TeV @@100 fb100 fb-1-1

B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083CMS PTDR 2006

Di-electron states (ZDi-electron states (ZKKKK decays) decays)

TeVTeV-1-1 ED Discovery Limits ED Discovery Limits

two electrons in the final state Bckg: Drell-Yan/ZZ/WW/ ZW/ttabr PYTHIA/PHOTOS with CTEQ61M LO + K=1.30 for signals, LO + K-factors for bckg. Full (GEANT-4) simulation/reco L1 + HLT(riger) cuts Theoretical uncert. Low luminosities pile-up

2727

Spin-1 States: Z from extended gauge models, ZKKSpin-2 States: RS1-graviton

Spin-1/Spin-2 DiscriminationSpin-1/Spin-2 Discrimination

Angular distributions

I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104CMS PTDR 2006

Z’ vs RS1-graviton

2828

LHC Start-up ExpectationsLHC Start-up Expectations

ModelModel Mass reachMass reach Integrated Integrated Luminosity (fbLuminosity (fb-1-1))

Systematic Systematic uncertaintiesuncertainties

ADD Direct GADD Direct GKKKK MMDD~ 1.5-1.0 TeV, n = 3-6~ 1.5-1.0 TeV, n = 3-6 11 Theor.Theor.

ADD Virtual GADD Virtual GKKKK MMDD~ 4.3 - 3 TeV, n = 3-6~ 4.3 - 3 TeV, n = 3-6

MMDD~ 5 - 4 TeV, n = 3-6~ 5 - 4 TeV, n = 3-60.10.111

Theor.+Exp.Theor.+Exp.

RS1RS1di-electronsdi-electronsdi-photonsdi-photonsdi-muonsdi-muonsdi-jetsdi-jets

MMG1G1~1.35- 3.3 TeV, c=0.01-0.1~1.35- 3.3 TeV, c=0.01-0.1

MMG1G1~1.31- 3.47 TeV, c=0.01-0.1~1.31- 3.47 TeV, c=0.01-0.1

MMG1G1~0.8- 2.3 TeV, c=0.01-0.1~0.8- 2.3 TeV, c=0.01-0.1

MMG1G1~0.7- 0.8 TeV, c=0.1~0.7- 0.8 TeV, c=0.1

1010101011

0.10.1

Theor.+Exp.Theor.+Exp.(only stat. for (only stat. for

di-jets)di-jets)

TeVTeV-1-1 (Z (ZKKKK(1)(1))) MMz1z1 < 5 TeV < 5 TeV 11 Theor.Theor.

UEDUED4 leptons4 leptons

RR-1-1 ~ 600 GeV ~ 600 GeV 1.01.0 Theor.+Exp.Theor.+Exp.

Thick braneThick brane RR-1-1 = 1.3 TeV = 1.3 TeV 6 pb6 pb-1-1

2929

ConclusionsConclusions

ATLAS and CMS analyses cover a large part of different hypotheses proposed tosolve a number of problems of Standard Model

The discovery potential of both experiments makes it possible to investigate if extradimensions really exist within various ED scenarios at a few TeV scale:

Large Extra-Dimensions (ADD model) Randall-Sundrum (RS1) TeV-1 Extra dimension Model Universal Extra Dimensions

The performance of detector systems allows to perform searches in the differentchannels

A proper energy, momentum angular reconstruction for high-energy leptons and jets, Et measurement b-tagging An identification of prompt photons

New results are expected at the start-up LHC weeks (integrated luminosity < 1 fb-1)

Many analyses are out of this talk: Black Holes, Bulk Scalars, Singlet Neutrino etc.