Vorlesung 4 - Herbstschule Maria Laach

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Vorlesung 4 - Herbstschule Maria Laach

Physik am LHC - Teil IV

44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach • September, 2012

Sandra Kortner

MPI für Physik, Munich

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 1/27


Vorlesungsüberblick: Physik am LHC

Mittwoch, 05.09.2012

Teil I: Der LHC und seine Experimente

Donnerstag, 06.09.2012

Teil II: Physik des Standardmodells am LHC

Teil III: Suche nach dem Higgs-Boson und das gefundene Teilchen

Freitag, 07.09.2012

Teil IV: Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 2/27


Erinnerung - Teil II

Hervoragende Übereinstimmung aller gemessener Prozesse (Jets, W ,

Z , Dibosonen, top-Quarks) mit Vorhersagen des Standardmodells.

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Erinnerung - Teil III

Ein neues Teilchen entdeckt am LHC

auf der Suche nach dem

Higgs-Boson des Standardmodells.

Bisherige Ergebnisse sind in

Übereinstimmung mit den

Vorhersagen des Standardmodells.

Allerdings mit einer großen

statistischen Unsicherheit.

(Viel) mehr Daten werden benötigt

um die vorhergesagten

Eigenschaften genau zu überprüfen.

(Kopplungen, Spin, CP, Selbstkopplung)

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Das Ende?

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Das Ende? Noch nicht!

Gravitation nicht miteinbezogen in die Quantenfeldtheorie,

neue Physik spätestens bei ΛPlanck ≈10 19 GeV.

Natürlichkeitsproblem:

quadratisch divergente Schleifendiagrame mit der Energieskala führen zu

großen Korrekturbeiträgen δmH für die renormierte Masse des Higgs bosons.

Für die Energieskala Λ:

m 2 H = m 2 bare + δmH

= m 2 bare − GF · m 2 t · Λ 2 + (Beiträge anderer Fermionen, Eichbosonen, Higgs)

≈ m 2 bare − 0.3Λ 2 + (...)

⇒ m 2 bare = m 2 H + O(Λ 2 )

Entweder:

• Standardmodell gültig bis ΛPlanck, aber mit unnatürlich großer mbare = O(ΛPlanck),

• oder: neue Physik jenseits des Standardmodells bei Energien von O(1000 GeV).

Ursprung der dunklen Materie nicht bekannt.

Keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten.

...

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Mögliche Auswege

Supersymmetrie

Einführung zusätzlicher Symmetrien,

die die Fermionen und Bosonen ineinander umwandeln.

Für jedes SM-Fermion gibt es einen skalaren Superpartner und umgekehrt.

Natürlichkeitsproblem behoben für mf ≈ m (f ,Superpartner):

Beiträge zur δmH heben sich gegenseitig auf.

Ermöglicht Vereinheitlichung der Kopplungen.

Kandidaten für dunkle Materie.

Theorien mit zusätzlichen Raumdimensionen.

ermöglichen eine niedrigere effektive Planck-Energieskala Λ ′

Planck .

... Oder, wir leben in einem (von vielen Multi-)Universen

mit unnatürlich feinjustierten Physikgrößen.

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Supersymmetrie (SUSY)

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SUSY-Teilcheninhalt

In der Minimalen Supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (MSSM):

R-Parität, R=(-1) L+3B+2s

R=1 für SM-Teilchen, R=-1 für SUSY-Teilchen.

R-Paritätserhaltung:

- schutzt gegen den Protonenzerfall,

- SUSY-Teilchen werden nur in Paaren erzeugt,

Zwei Higgs-Doublets um die Massen der

Up- und Down-Quarks zu erzeugen.

Skalarer Superpartner für jedes Fermion.

Fermionische Superpartner für Bosonen.

* Charginos (χ ±

1,2 ):

Mischzustände der W ± und H ± Partner.

* Neutralinos (χ 0 1,2,3,4):

Mischzustände der γ, Z , h, H Partner.

* Gluinos (˜g), Gravitino ( ˜ G ).

- das leichteste SUSY-Teilchen (LSP) ist stabil ⇒ Kandidat für dunkle Materie.

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SUSY-Symmetriebrechung

Bisher keine supersymmetrischen Teilchen beobachtet ⇒ mTeilchen = mSuperpartner

d.h. Symmetrie muss gebrochen sein, die Superpartner sind schwerer.

Wir brauchen aber mSUSY


Higgs-Sektor in MSSM

Mehrere ,,benchmark”-Szenarien,

die den interessantesten Bereich im mehrdimensionalem Parameterraum auswählen.

Bis jetzt wurde m max

h -(maximal mixing)-Szenario für die meisten Studien benutzt.

MSUSY Xt µ M2 M˜g m max

h 1000 GeV 2000 GeV 200 GeV 200 GeV 800 GeV

Zwei Higgs-Doublette,

⇒ 5 physikalische Higgsbosonen:

h 0 , H 0 , A 0 and H ± .

In niedrigster Ordnung, der

Higgs-Sektor ist definiert durch

zwei Parameter: (mA, tan β = vu

v d ).

Im m max

h -Szenario, das leichteste

neutrale Higgs-Boson hat Masse

mh


Neutrale MSSM-Higgs-Bosonen

Dominante Produktionsprozesse:

tan β = 3 tan β = 30

Direct production

g

g

b

Φ = (h, H, A)

Associated production with b−quarks

dominating production at large tan β

g

g

b

Φ

b

Higgs-Boson-Zerfälle:

g

b

h/H/A → b¯b

Dominant, aber

enormer QCD-Untergrund.

h/H/A → τ + τ −

Hohes BR, klare Signatur.

h/H/A → µ + µ −

Sehr niedriges BR, aber

exzellente Massenauflösung.

b

Φ

b

b

Φ

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b ¯ b

ττ

b ¯ b

ττ

b ¯ b

ττ


Geladene MSSM-Higgs-Bosonen

Dominante Produktionsmechanismen, abhängig von der Masse m H ±:

Leichtes H ± (mH ± < mtop):

gg → t¯t → ¯tH + b

H +

g

g t

b

g

H ± -Zerfallskanäle:

t

W

b


Schweres H ± (m H ± > mtop):

g ¯ b → ¯tH + and gg → ¯tbH +

g

b

b

H +

t

g

g

b

H +

Zwei wichtigsten Zerfälle:

For m H ± < mtop:

H ± → τ ± ν

For m H ± > mtop:

H ± → tb and H ± → τ ± ν

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t


MSSM-Higgs-Suche: Ergebnisse

Neutrale

MSSM-Higgs-Bosonen

(ττ)

Geladene

MSSM-Higgs-Bosonen

(τν)

Ausschluss eines großen (mA, tan β)-Parameterbereichs mit 95% CL.

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SUSY-Teilchen-Produktion am LHC

Squarks und Gluinos: stark wechselwirkende Teilchen

→ hohe Produktionsrate am LHC.

Zusätzliche elektroschwache Prozesse mit Neutralinos und Charginos:

→ niedrigere Rate, aber Suche am LHC möglich wegen hoher Luminosität.

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Suche nach Squarks und Gluinos: Multijets + E miss

T

Endzustände mit

mehreren Jets und

hoher fehlender transversalen

Energie.

Analyse aufgeteilt

in Endzustände

mit 0, 1, 2 und > 2 Leptonen.

Untergrundprozesse:

W +Jets, Z +Jets, t¯t, single top,

QCD, Diboson.

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Suche nach Squarks und Gluinos: Multijets + E miss

T

[GeV]

1/2

m

800

700

600

500

400

300

200

= LSP


τ

-1

CMS Preliminary L = 4.98 fb ,

int

m( q~ ) = 1500

Jets+MHT

m( q~ ) = 1000

SS Dilepton

g ) = 500 ~

m(

Razor

OS Dilepton

αT

Multi-Lepton

m( q~ ) = 2000

g ) = 1500 ~

m(

~ ±

LEP2 l

∼ ±

LEP2 χ

1

g ) = 1000 ~

m(

Non-Convergent RGE's

No EWSB

100

500 1000

Für mSquark ≈ mGluino:

1500 2000 2500 3000

m0

[GeV]

Squarks und Gluinos mit Massen bis zu ∼1.3 TeV ausgeschlossen.

MT2

1 Lepton

m( ~

q)

= 2500

Natürlichkeitsproblem wird wieder zum Problem?

(Wir brauchen SUSY-Teilchen mit Massen von O(1 TeV)).

s = 7 TeV

tan( β)=10

A 0 = 0 GeV

µ > 0

mt

= 173.2 GeV

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Suche nach der Stop-Paarproduktion

Annahme in der vorherigen Suche: alle Squarks haben ähnliche Massen.

Minimale Lösung des Natürlichkeitsproblems benötigt nur:

* ein leichtes Stop,

* asoziiertes Sbottom und

* mgluino


Suche nach der Stop-Paarproduktion

mstop 200 GeV: ˜t˜t−Produktion, ˜t → tχ 0 1 → bW χ 0 1

Massenbereich um die top-Masse experimentell sehr schwierig

(hoher t¯t-Untergrund.)

Ein Teil des Parameterbereiches ausgeschlossen, aber immer noch Platz für SUSY.

Ausschluss des ganzen Parameterbereiches bis Ende 2012 (fals es kein Stop gibt).

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Elektroschwache SUSY-Prozesse

Selbst wenn die stark wechselwirkende Teilchen eine hohe Masse haben, können wir

unabhängig davon die elektroschwachen Prozesse vermessen.

Suche nach mehreren Leptonen und fehlender transversalen Energie im Endzustand.

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Ergebnisse der SUSY-Suche im Überblick (I)

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Ergebnisse der SUSY-Suche im Überblick (II)

CMS preliminary

T1: ˜g →qq˜χ 0

T1bbbb: ˜g →bb˜χ 0

T1tttt: ˜g →tt˜χ 0

T2: ˜q →q˜χ 0

T2bb: ˜b →b˜χ 0

T2tt: ˜t →t˜χ 0

T3lh: ˜g →qq(˜χ 0 2 →l + l − ˜χ 0 )

T3w: ˜g →qq(˜χ ± →W˜χ 0 |˜χ 0 )

T5lnu: ˜χ ± →l ± ν˜χ 0

T5zz: ˜g →qq(˜χ 0 2 →Z˜χ 0 )

TChiSlepSlep: ˜χ 0 2 ˜χ ± →lllν˜χ 0 ˜χ 0

TChiwz: ˜χ ± ˜χ 0 2 →WZ˜χ 0 ˜χ 0

x =0.25

x =0.50

m(mother)−m(LSP) =200 GeV x =0.75

gluino

gluino

gluino

squark

sbottom

stop

gluino

gluino

gluino

gluino

chargino/neutralino

m(LSP)=0 GeV

chargino/neutralino

7 TeV, ≤ 4.98 fb

0 200 400 600

Mass scales [GeV]

800 1000 1200

−1

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Es wird eng für SUSY - Mögliche Erklärungen?

Es besteht noch Freiraum für leichte Stop-Teilchen, derren

Massen kleiner sind als die Masse entsprechender Teilchen in der

ersten und zweiten Generation.

Falls die Massen der SUSY-Teilchen ähnlich sind, weniger Raum

für die Zerfälle ⇒ ,,compressed SUSY”, versteckt von unseren

Messungen.

NLSP-Teilchen ist langlebend,

hinterlässt wenig Spuren/Energie im Detektor.

R-Parität nicht erhalten:

LSP-Teilchen ist nicht stabil, und daher E miss

T

klein.

Interpretation der Messungen in verschiedenen SUSY-Modellen

beruht auf bestimmten annahmen. Modell-unabhängige Aussagen

warten auf hohere Datenstatistik.

⇒ Es gibt noch durchaus Auswege...

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 20/27


Oder noch ein paar exotischere Szenarien...

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 21/27


Oder noch ein paar exotischere Szenarien...

Sehr viele Studien/Modelle, hier nur ein paar ausgewählten.

Zusätzliche Raumdimensionen:

ADD (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali): large extra dimensions.

Fundamentale Energieskala viel kleiner als MPlanck: M d+2

D ≈ M2 Planck/R d

Graviton ist ein Kaluza-Klein-Turm, kann sich zwischen den Branes bewegen.

Randall-Sundrum-Modell: warped extra dimensions

Graviton ist eine schmale Resonanz, kann in Leptonen zerfallen.

Mikroskopische schwarze Löcher.

Suche nach neuen Resonanzen in verschiedenen Modellen

Modelle mit zusätzlichen Raumdimensionen (siehe oben), oder

SSM (Sequential Standard Model):

schwere W ′ - und Z ′ -Eichbosonen mit den SM-Kopplungen an Fermionen.

String-Resonanzen...

Vierte Generation der Fermionen.

Gebundene Quark-Zustände (compositeness).

...

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 21/27


Mikroskopische schwarze Löcher

Typische Signaleigenschaften:

hohe gesammte Transversalenergie (ST )

von vielen energetischen Jets, Leptonen und

Photonen.

10-Jet-Kandidatereignis für das schwarze Loch. ⇒

Events / 100 GeV

-1

CMS Preliminary s = 8 TeV, 3.7 fb f)

3

10 Multiplicity, N ≥ 8

Observed

Background

Uncertainty

min

2 10

MD

= 1.5 TeV, M = 5.5 TeV, n = 6

BH

min

MD

= 2.0 TeV, M = 5.0 TeV, n = 4

BH

min

MD

= 2.5 TeV, M = 4.5 TeV, n = 2

BH

10

1

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

S (GeV)

T

(pb)

σ

10

1

-1

10

-2

10

-3

10

-1

CMS Preliminary s = 8 TeV, 3.7 fb

Nonrotating Black Holes

Theoretical Cross Section

MD

= 3.5 TeV, n = 2

M D = 3.0 TeV, n = 4

MD

= 2.5 TeV, n = 6

Observed Cross Section Limits

MD

= 3.5 TeV, n = 2

MD

= 3.0 TeV, n = 4

MD

= 2.5 TeV, n = 6

4 4.5 5 5.5 6 6.5

min

MBH

(TeV)

Modelabhängig,

schwarze Löcher mit

Massen

bis zu 4.1 - 6.1 TeV

sind ausgeschlossen mit

95% CL.

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 22/27


Neue Resonanzen in Zwei-Jet-Ereignissen

Highest-mass central dijet event, m jj =4.1 TeV

Ausschlußgrenzen an den Wirkungsquerschnitt:

95%-CL-

Ausschlußgrenze

an die Masse (in TeV)

verschiedener

Resonanzen:

RS graviton 1.0-1.36

Z ′ 1.0-1.60

W ′ 1.0-1.74

2.0-2.12

excited quarks 1.0-3.66

E6 diquark 1.0-4.28

string resonance 1.0-4.69

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 23/27


Neue Resonanzen in leptonischen Endzustäden

Zwei-Lepton-Resonanzen (Z ′ )

Events / GeV

5

10

4

10

3

10

2

10

10

1

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-1

CMS Preliminary, s = 8 TeV ∫ L dt = 4.1 fb

DATA

+ -

γ/Z→μ

μ

tt

+ other prompt leptons

jets

80 100 200 300 1000 2000

+ -

m( μ μ ) [GeV]

Rσ,

8 TeV

-1 + - -1

8 TeV: ee (3.6 fb )+ µ µ (4.1 fb )

CMS preliminary

-4

10

-1 + - -1

7 TeV: ee (5.0 fb )+ µ µ (5.3 fb )

median expected

-5

10

-6

10

-7

10

Leptonische Zerfälle der W ′ -Resonanz

BR / fb

×

σ

cross section

4

10 95% Observed Limit

95% Expected Limit

Expected ± 1 σ

3

10

2

10

10

1

Expected ± 2 σ

Theoretical Cross Section NNLO

PDF uncertainty

Theoretical Cross Section for W' μ = 10 TeV

KK

Theoretical Cross Section for W' μ = 0.05 TeV

KK

CMS preliminary

Combined e + μ 2012

-1

∫ L dt ≈ 3.7 fb

s = 8 TeV

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

MW'

/ GeV

[TeV]

μ

10

-1

10

68% expected

95% expected

Z'SSM

Z'Ψ

95% C.L. limit

500 1000 1500 2000 2500 3000

M [GeV]

1

CMS preliminary

s = 8 TeV

-1

∫ L dt = 3.7 fb

Excluded

Electron

channel

Muon

channel

Combined

channels

Combined

channels

at 7 TeV

-1

Int. L = 5 fb

0 0.5 1 1.5 2 2.5

1/R [TeV]

Untere Grenze an die

Masse (mit 95% CL):

SM-like Z ′ 2.59 TeV

superstring-Z ′ ψ 2.26 TeV

Untere Grenze an die

Masse (mit 95% CL):

SM-like W ′ 2.85 TeV

W 2 KK from

split UED

1.4 TeV

to 3.3 TeV

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Weitere Suchen

Suche nach der t¯t-Resonanz im semileptonischen Endzustand:

Suche nach großen Extradimensionen (monojet+E miss

T )

95%CL-

Ausschlußgrenze

an die Masse des

Kaluza-Klein-

Gluons:

1.5 TeV

95%CL-

Ausschlußgrenze

im ADD-Model

an die (4+n)-D

PlanckSkala M D:

3.79 TeV for n = 2

2.34 TeV for n = 6

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Ergebnisse der exotische Suchen im Überblick

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Zusammenfassung: Teil I - IV

Hervoragende Leistung des Large Hadron Colliders in 2010-2012

ermöglicht ein umfangreiches Physikprogramm mit den ATLAS- und

CMS-Experimenten.

Messungen der Standardmodellprozesse stimmen sehr gut mit den

theoretischen Vorhersagen überein.

Bis jetzt gibt es keine Signale neuer Physik jenseits des Standardmodells.

Aber, der Spielraum für weitere Suchen ist noch vorhanden.

Auf der Suche nach dem SM-Higgs-Boson wurde ein neues Teichen

entdeckt, mit der Masse von etwa 125-126 GeV

Die Beobachtung ist verträglich mit den Standadmodellvorhersagen,

aber mit großen statistischen Unsicherheiten.

Mehr Daten sind nötig um die Eigenschaften dieses Bosons zu vermessen.

S. Kortner: Physik am LHC - Teil IV • 44. Herbstschule für Hochenergiephysik • Maria Laach, 2012 27/27

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