E-07 A Bonn Carsten Meyer Physikalisches Institut - Herbstschule ...

Suche nach Supersymmetrie mit Gaugino- 

Massenspektren in und jenseits von mSUGRA im 

1-Lepton-Kanal am ATLAS-Detektor 

Carsten Meyer / Herbstschule Maria Laach 2009 

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Gliederung: 

Supersymmetrie (SUSY) 

Das Minimal-Supergravity-Modell (mSUGRA) 

SUSY Phänomenologie und Standardmodell- 

Untergründe 

Grundkonzept der Analyse 

Zusammenfassung und Ausblick 


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Supersymmetrie (SUSY) 

Neue Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen: 

S |Fermion> ~ |Boson> 

S |Boson> ~ |Fermion> 

→ SUSY ändert den Spin eines Teilchens um ½ 

• Da die neuen Fermionen und Bosonen keine Standardmodell-Teilchen 

sein können, wird der Teilcheninhalt der Natur verdoppelt! 

Anzahl an bosonischer und fermionischer Freiheitsgrade gleich 

→ Jedes SM-Boson erhält einen fermionischen SUSY-Partner. 

→ Jedes SM-Fermion erhält zwei bosonische SUSY-Partner 

(Da Fermionen 2 Spin-Freiheitsgrade haben!) 


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Oft wird eine neue Quantenzahl (R-Parität) in die Theorie eingeführt, 

um Baryon- und Leptonzahl-Erhaltung zu gewährleisten. 

• Eigenschaften: 

1.) R-Parität ist multiplikativ 

2.) R-Parität unterscheidet zwischen SM- und SUSY-Teilchen: 

SM-Teilchen haben P R = 1, SUSY-Teilchen haben P R = -1 

3.) Oftmals nimmt man an, dass R-Parität an jedem Vertex erhalten ist 

(Von theoretischer Seite aus aber nicht notwendig!) 

• Phänomenologische Konsequenzen: 

1.) SUSY-Teilchen können nur in Paaren produziert werden. 

2.) Jeder Kaskadenzerfall eines SUSY-Teilchens muss mit dem 

leichtesten SUSY-Teilchen enden. (LSP für Lightest Supersymmetric 

Particle) 

3.) Am LHC endet jedes Ereignis mit 2 LSPs. 


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Beispiel eines SUSY-Teilchenspektrums 

Graviton 2 Gravitino 3/2 


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Minimal Supergravity (mSUGRA) 

Beispiel einer GUT-SUSY-Theorie 

1.) Die Massen der skalaren SUSY-Teilchen vereinigen sich an der GUT- 

Skala zu einer einzigen Masse genannt m 0 

2.) Die Massen der fermionischen SUSY-Teilchen (Gauginos) vereinigen 

sich an der GUT-Skala zu einer einzigen Masse genannt m 1/2 

3.) Die trilinearen Kopplungen vereinigen sich dort ebenfalls zu A 0 

5 Parameter übrig: 

m 0: vereinigte skalare Masse 

m 1/2: vereinigte Gaugino-Masse 

A 0 : vereinigte trilineare Kopplung 

tan(β): Verhältnis der VEVs der 

beiden Higgs-Dublettes 

sign(μ): Higgsino Massen- 

Parameter 

Massen-Spektrum der Theorie wird durch Wahl dieser 5 Parameter festgelegt! 

(meist wird ein Gitter in m 0 und m 1/2 bei festem A 0, tanβ und sign(μ) betrachtet) 


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SUSY-Phänomenologie für Endzustände 

mit einem Lepton 

m 0 > m 1/2: 

→ Squarks schwerer als das Gluino 

(3-Körper-Zerfallsregion) 

• ~ 5 Jets 

• Weicheres Lepton 

• Moderates E T miss 


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Standardmodell-Untergründe mit einem 

Lepton im Endzustand 

Top-Quark-Paarproduktion: 

(semileptonischer Zerfall) 

• 2 harte b-Jets, 2 Jets aus dem W- 

Zerfall 

• Lepton mit großen P T 

• E T miss durch das Neutrino 

Produktion eines W-Bosons + ISR 

• Jets durch die Gluon-Abstrahlung 

• Lepton mit großen P T durch den 

Boost des W-Bosons 

• E T miss durch das Neutrino 


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Verallgemeinerung der Analyse 

Sehr viele supersymmerische Modelle 

→ Unterschiedliche Teilchen- und Massenspektren. 

(in meiner Arbeit auf das Teilchenspektrum des MSSM beschränkt) 

→ Unterschiedliche Ereignistopologien! 

→ Ein Satz an Schnitten wird der Vielfalt an Topologien nicht gerecht. 

Frage: 

Wie kann eine Suche nach SUSY modellunabhängiger gestaltet 

werden? 

Was legt die Kinematik von SUSY-Ereignissen fest? 

1.) Massen(verhältnisse) der SUSY-Teilchen 

2.) Feldinhalt der SUSY-Teilchen (in meiner Arbeit noch nicht behandelt) 

→ Parametrisiere die Schnitte nach für die Kinematik relevanten 

Größen! (möglichst mit einem minimalen Satz an Parametern) 


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Betrachtete SUSY-Punkte 

1.) mSUGRA-Gitter (8x8 Punkte): 

• m 0 äquidistant : 60 GeV – 620 GeV 

• m 1/2 äquidistant : 150 GeV – 290 GeV 

• tanβ = 10, A0 = 0, sign(μ) positiv 

2.) Punkte mit Massenspektren, die in mSUGRA nicht abgedeckt sind: 

• Wähl einen mSUGRA-Referenzpunkt und variiere das Verhältnis von 

Gluino/C 1-Masse und C 1/N 1-Masse bei fester Masse des C 1. 

• mSUGRA-Referenzpunkt: (m 0 = 140 GeV, m 1/2 = 210 GeV) 

(m C1 ≈ 145 GeV, m N1 ≈ 80 GeV, m Gluino ≈ 523 GeV, m Squark ≈ 480 GeV) 

Generiere ein Gitter aus 3x7 Punkten: 

• C 1/N 1-Masse: ≈ (1, 2, 10) 

• Gluino/C 1-Masse: ≈ (2, 3, 4, 5, 7.5, 10, 12.5) 


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Vorgehen: 

1.) Wende zunächst SUSY-typische Vorselektion an (1 isoliertes Elektron mit 

P T > 15 GeV, 2 Jets: 100 GeV, 50 GeV, E T miss > 100 GeV, MT > 120 GeV) 

2.) Optimiere danach für alle betrachteten SUSY-Punkte den Schnitt auf eine 

bestimmte Verteilung. 

3.) Trage den optimalen Schnitt gegen verschiedene die Massen der SUSY- 

Teilchen beinhaltenden Parameter auf um evtl. funktionale Abhängigkeiten 

der optimalen Schnitte von den Parametern zu erkennen. 

4.) Reduziere die Anzahl an Parametern, welche in der Lage sind den 

Großteil der Kinematik zu beschreiben auf ein Minimum. 

5.) Parametrisiere die Schnitte nach den gewonnenen Parametern. 


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Ereignis-Kinematik bestimmt durch: 

1) Masse der primär produzierten Squarks und Gluinos: 

• Große Abh. der partiellen Wirkungsquerschnitte von der Masse der 

Squarks und Gluinos. 

• Parameter muss dies berücksichtigen: 

Dieser Parameter bezeichnet die im Mittel über die starke WW 

produzierte Masse supersymmetrischer Teilchen. 

2) Massen-Verhältnis der SUSY-Teilchen in der Kaskade: 

• m Squark / m Gluino → Teilt Parameterraum in 2- und 3-Körper-Region. 

→ und eine der beiden Massen sollte einen Großteil der 

Kinematik festlegen. (m Gluino gewählt) 


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Annähernd lineare Abh. des 

optimalen Schnittes von 

alleine! 

• Linearität für mSUGRA und 

für schwere Gluinos bei 

m C1/m N1 ≈ 1 gut erfüllt. 

• Für schwere Gluinos bei 

m C1/m N1 ≈ (2,10) wird der 

optimale Schnitt von der 

Fitfuntkion systematisch 

unterschätzt! 

Die skalare Summe der Jet- 

Transversalimpulse (H T) 


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Weite Abhängigkeiten nach Anwenden des laufenden 

Schnittes auf H T? → P T des viert härtesten Jets 

• Für ein gegebenes m 1/2 ist die Gluino- 

Masse annähernd unabhängig von m 0 

• Bester Schnitt auf P T J4 zeigt annähernd 

eine lineare Abh. von für festes 

m 1/2 

• Steigung der Funktionen vergleichbar, 

aber Achsenabschnitt variiert mit m 1/2 

(also mit der Gluino-Masse) 

Idee: 

Ist es möglich die Abh. von der Gluino- 

Masse auszunutzen, um alle Punkte 

wieder durch eine lineare Funktion 

beschreiben zu können? 


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Abhängigkeit des Schnittes auf P T J4 von der 

Gluino-Masse bei festem = 1100 GeV 

• Je schwerer das Gluino bei 

fester Masse im Anfangszustand 

ist, desto mehr Zerfälle laufen 

über die 3-Körper-Kinematik ab. 

→ Optimaler Schnitt verringert sich mit 

steigender Gluino-Masse. 

• Wie kann dieses Wissen für die 

Analyse benutzt werden? 


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• Gezeigte Abh. von m Gluino nur gültig für Punkte, bei denen Gluinos 

produziert werden. 

(für zu schwere Gluinos reine Squark-Produktion) 

• m 0 Gluino bezeichnet eine gewählte Referenz-Gluino-Masse 

• Trage BestCuts() + Shift(m Gluino) gegen auf 


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Abhängigkeit von BestCuts() + Shift(m Gluino) von 

Erneut zeigt sich eine lineare 

Abh. von . 

→ Lineare Funktion mit den 

beiden Parametern 

und m Gluino 

Vorgehen: 

1.) Berechne den Wert dieser 

Hilfsgröße für jedes Parameter- 

Paar (,m Gluino). 

2.) Subtrahiere den Shift-Term, 

um den physikalischen Schnitt- 

Wert auf P T J4 zu erhalten. 


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Entdeckungspotenziale innerhalb mSUGRA 

für L = 100 pb -1 

(,m Gluino)-Parametriesierung Standard ATLAS-Analyse 

• 42 der 64 betrachteten Punkte sind mit einer Signifikanz über 5σ im 

1-Elektron-Kanal zu entdecken. 

→ Entspricht Squark- und Gluino-Massen von ca. 600 GeV 

• Die ATLAS-Standard-Analyse vermag nur 30 der 64 mit einer 

Signifikanz über 5σ zu entdecken 


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Entdeckungspotenziale für Gaugino-Massenspektren 

jenseits von mSUGRA für L = 100 pb -1 

(,m Gluino)-Parametriesierung Standard ATLAS-Analyse 

• 6 (10) der 21 betrachteten Punkte sind mit einer Signifikanz über 5σ 

(3σ) im 1-Elektron-Kanal zu entdecken. 

• Die ATLAS-Standard-Analyse vermag nur 5 (7) der 21 mit einer 

Signifikanz über 5σ (3σ) zu entdecken. 


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Zusammenfassung und Ausblick 

Selbst innerhalb von mSUGRA ist ein Satz an Schnitten nicht die 

beste Wahl für eine SUSY-Analyse. 

Abhängigkeit mancher kinematischer Variablen von den Massen der im 

Zerfall beteiligten SUSY-Teilchen kann verstanden und benutzt 

werden, um die Analyse zu verbessern. (Funktioniert auch für andere 

Variablen als die gezeigten. E T miss , PT J3 , ...) 

Ziele für die Zukunft: 

1.) Analyse systematisch auf mehr wichtige Massen-Verhältnisse ausweiten 

(evtl. Erweiterung des Parametersatzes) 

2.) verschiedene Massen-Hierarchien berücksichtigen. 

(nur m Gluino > m C1 > m N1 in dieser Arbeit betrachtet) 

3.) Korrektur auf die Möglichkeit statistische Fluktuationen des 

Untergrundes als Signal fehlzudeuten („Look Elsewhere Effekt“). 


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17.09.2009 

Backup 


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Bestimmung der optimalen Schnitt-Werte und „Fehler“ 

• Trage Signifikanz in Abh. des Schnitt-Wertes auf und fitte mit 

einer Gauß-Funktion. 

• 10% der Breite wird als 

Fehler gewählt. 

• Caveat: 

Verteilung nicht zwangsläufig 

gaußförmig. 

Beispiel-Verteilung für H T 


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CSC-1-Lepton Analyse 

• Ein isoliertes Elektron (etcone20 < 10 GeV), P T > 20 GeV, |η| < 2.5 

• 4 Jets: 100 GeV, 50 GeV, 50 GeV, 50 GeV 

• M T > 100 GeV 

• E T miss > 100 GeV, ET miss > 0.2*Meff 

• M eff > 600 GeV 

• Transversale Sphärizität > 0.2 


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Güte der (, m Gluino)-Parametrisierung für P T J4 

• Die (, m Gluino)-Parametrisierung vermag den optimalen Schnitt auf 

P T J4 für einen Großteil der betrachteten Punkte hinreichend gut zu 

beschreiben! 

• Für den Punkt mit einer Gluino-Masse von 500 GeV fällt die so 

errechnete Schnitt viel zu hart aus. 


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