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SupersymmetrieSupersymmetrie amam

Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider

ÖPG-FAKT-TagungWeyer, 26 Sept. 2004

Claudia-Elisabeth WulzClaudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik, Wien

SUSY

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C. - E. Wulz 2 ÖPG, Sep. 2004

Übersicht

Einführung in die Supersymmetrie

LHC und die Experimente

Suche nach Supersymmetrie

Bestimmung von SUSY-Parametern

Zusammenfassung

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Das Standardmodell und was kommt danach?

Das Standardmodell wurde bis O(100 GeV) eindrucksvoll experimentell bestätigt, in manchen Fällen mit einer Präzision von 0.1%!

Es kann jedoch nur eine beschränkte Gültigkeit haben, da:- Gravitation nicht inkludiert- keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten- Ursprung der dunklen Materie nicht erklärt- keine Lösung des Hierarchieproblems- etc.

Energieskala für Gültigkeit des Standardmodells:

< MPlanck ~ 1019 GeV

(Gravitationseffekte werden signifikant)

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Stabilität der Higgsmasse

Strahlungskorrekturen: mH2

-> mH2

+ 2mH

2mH ~ 2

Bei Einbettung des Standardmodells in eine “Grand Unified Theory” (GUT) gilt:

~ O(mGUT) - O(mPlanck)

mH sollte aber O(mZ) sein -> Korrekturen unnatürlich groß!

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Supersymmetrie

Falls SUSY exakte Symmetrie ist, gilt: m mJedoch wurde bisher kein SUSY-Teilchen gefunden, deshalb muß Symmetrie gebrochen sein: m m

~

~

Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungs-korrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden, fordert man zu jedem Fermion des Standardmodells einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa.

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Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten

mGUT ~ 1016 GeV

Die Kopplungskonstanten können innerhalb von SUSY vereint werden, nicht jedoch im Standardmodell. Wenn die Masse des SUSY-Partners in der Größenordnung m ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUT-Vereinigung bis zu 1016 GeV.

~

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Teilchenspektrum im MSSM

1/2Charginos (j 1,2)

j ± ~ aj W±+bj H2,1

±0

Higgsbosonen

h0, H0, A0, H±

1/2Neutralinos (k 1,2,3,4)

k0 ~ ak+bk Z+ckH1

0+dkH20

1Eichbosonen

, Z, W±

1/2Gluinos

g ( 1,…,8)1

Gluonen

g ( 1,…,8)

0Sleptonen

(lL,L) lR

1/2Leptonen

(lL,L) lR

0Squarks

(uL,dL) uR dR

1/2Quarks

(uL,dL) uR dR

SpinSuperpartnerSpinTeilchen

~

~ ~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~

~~ ~

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mSUGRA-Modell

SUSY muß gebrochen sein. “Soft SUSY Breaking”: Terme in der Lagrangedichte, die keine quadratischen Divergenzen einführen. Wenn man Gaugino-Massen, skalare Massen, bilineare und trilineare Kopplungen per Higgsmechanismus generieren will, so braucht man zusätzliche Felder zu den MSSM-Feldern. Diese neuen Felder gehören zu einem “verborgenen Sektor”, der die SUSY-Brechung dem sichtbaren Sektor (MSSM) überträgt.Im mSUGRA-Modell erfolgt die Übertragung durch Gravitationswechselwirkungen auf einer Skala von <F> ~ (1011 GeV)2 msoft ~ <F>/mPlanck

MSSM hat 105 Parameter, mSUGRA nur 5 [m0, m1/2, A0, tan, sgn()] -> experimentell “einfach” zu studieren!Typischerweise gilt: m(1

±) ~ m(20) ~ 2m(1

0) m(g) > m(q) > m()~ ~ ~ ~ ~ ~

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Large Hadron Collider

C.-E. Wulz

LHC

SPS

CMSCMS

TOTEMTOTEM

ATLASATLAS

ALICEALICE

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Schranken von LEP und Tevatron

mtop = 180 GeV/c2

m (l, ) > 90-100 GeV LEP IIm (q,g) > 250 GeV Tevatron Run I

m (= LSP) > 47 GeV LEP II

~ ~

~~ ~

Der ausgeschlossene tan - Bereich hängt stark von mtop und mh ab.

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SUSY- Suchstrategie

• Suche nach Abweichungen vom Standardmodell leicht!

• Messung der SUSY Massenskala MSUSY

leicht!

• Messung der Modellparameter

(z.B. Massen, Kopplungen, Breiten, Spins) schwierig!

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SUSY-Kaskaden

Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen, die zu Endzuständen mit Leptonen, Jets und fehlender Energie führen.

~~Beispiel eines qg Ereignisses:

q -> 20 q

g -> qq

10~

~

~

e 10~

~

~

~

~

1± q

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Inklusive Suche

BeispielBeispiel:: mSUGRAm0 = 100 GeV, m1/2 = 300 GeV tan = 10, A0 = 0, > 0

Produktion von SUSY-Teilchen am LHC dominiert durch Gluinos und Squarks

Falls R-Parität R = (-1)R = (-1)2S+3B+L2S+3B+L erhalten ist, findet man charakteristische Ereignisse durch Kaskadenzerfälle: mehrere Jets, Leptonen und fehlende Energie

Typische Selektion: NJet > 4, ET > 100, 50, 50, 50 GeV, ETmiss > 100 GeV

“Effektive Masse”Meff = ET

miss + ETJet1 + ETJet2 + ETJet3 + ETJet4

SUSY

Standardmodell

I. Hinchliffe et al., hep-ph/9610544

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SUSY - Massenskala

Das Maximum der Massenverteilung von Meff bzw. Der Punkt, an an dem das Signal den Untergrund des Standardmodells zu übertreffen beginnt, liefert eine erste Abschätzung der SUSY-Massenskala, die wie folgt definiert ist:

)M,min(MM Ru~g~SUSY =

Scatterplot für verschiedene SUSY-Modelle mit annähernd gleicher Masse des leichten Higgs

m0=100 GeV m1/2=300 GeVtan=2

MSUSY = 663 GeV

-o- SUSY-Signal

tt

W l,

Z ,

QCD jets

_

_ _

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Squarks und Gluinos

Massenlimits für q und g für verschiedene Luminositäten,selektiert mit TriggerET

miss + Jets.

~ ~

1 Jahr bei 1034 cm-2s-1

1 Jahr bei 1033 cm-2s-1

1 Monat bei 1033 cm-2s-1

Die im 1. LHC-Jahr erreichbaren Massenlimits für Squarks und Gluinos sind mindestens 2 TeV (m0 < 2 TeV, m1/2 < 1 TeV) für alle tan innerhalb von mSUGRA.

CMS

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Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren

Bestimmung von SUSY - Parametern

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Massenbestimmung von Neutralinos und Sleptonen

Trigger: Leptonen, keine Jets, ETmiss

1

CMS

CMS

L. Rurua

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Rekonstruktion von SUSY-Teilchen

Endzustand:• 2 isolierte e / (+/-) mit hohem pT • 2 (b-) Jets mit hohem ET • ET

miss

~~ bb g pp

b~02

−+ ll01

~

(26 %)

(35 %)

(0.2 %)

llll01

~ ~

(60 %)

01

~p

p

g~

b~

b

b

l

±l

02

~ ±l~

Beispiel: Sbottom-Erzeugung(leichte Squarks analog)

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Massenbestimmung für leichte Squarks

Squarks (“Punkt B”)

CMS 1 fb-1

+sign

0A0

10tan

250 GeVm1/2

100 GeVm0

~ ~ ~ ~

CMS 1 fb-1

m(uL,cL,dL, sL ) ~ 540 GeV~

~

m(g) = 595 GeVm(1

0) = 96 GeVm(2

0) = 175 GeVm(b1) = 496 GeV

Annahme: m(10) bereits bekannt.

p(20 ) aus Leptonen:

~~

~

~

M(20q) = (536±10) GeV~

M. Chiorboli

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C. - E. Wulz 20 ÖPG, Sep. 2004

Massenbestimmung für Sbottom und Gluinos

M(20b) = (500±7) GeV~ M(2

0bb) = (594±7) GeV~ -

CMS 10 fb-1 CMS 10 fb-1

M. Chiorboli

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C. - E. Wulz 21 ÖPG, Sep. 2004

Zusammenfassung

• Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells.Supersymmetrie ist eine mögliche Erweiterung des Standardmodells.

• Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert.Bei LHC kann Supersymmetrie gefunden werden, falls sie existiert.

• Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, Theoretisch sind nur wenige Wochen LHC-Betrieb nötig, um ein Signal zu finden.um ein Signal zu finden.

• Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich.Die Messung vieler SUSY- Parameter ist am LHC möglich.

• Analysestrategien werden laufend verbessert.Analysestrategien werden laufend verbessert.

SUSY

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C. - E. Wulz 22 ÖPG, Sep. 2004

Konferenz Physics at LHC

http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04http://wwwhephy.oeaw.ac.at/phlhc04

Nächste Konferenz:

Krakau, Juli 2006(voraussichtlich)


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