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Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Dottorato di Ricerca in Fisica XX ciclo Progetto di Tesi di Dottorato di Francesco Santanastasio Studio del.

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1 Università degli Studi di Roma “La Sapienza” Dottorato di Ricerca in Fisica XX ciclo Progetto di Tesi di Dottorato di Francesco Santanastasio Studio del decadimento nell’ambito del modello di rottura di Supersimmetria GMSB Relatore : Prof. Egidio Longo Correlatore : Dott. Shahram Rahatlou

2 Francesco Santanastasio2 Indice Fisica teorica e fenomenologia: Introduzione al Modello Standard Introduzione alla Supersimmetria Il canale di decadimento Fisica sperimentale: LHC, CMS, ECAL Calibrazione di ECAL Conclusioni

3 Francesco Santanastasio3 Il Modello Standard (SM) Teoria che descrive le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche tra le particelle elementari Ottimo accordo tra le predizione teoriche e i dati sperimentali Prevede l’esistenza del Bosone di Higgs Tale predizione non è stata ancora verificata sperimentalmente La massa dell’ Higgs è l’unico parametro ignoto del modello

4 Francesco Santanastasio4 La massa del Bosone di Higgs Limiti sulla massa dell’Higgs : Misura sperimentale diretta : Misura sperimentale indiretta : Teorico : (vincolo di unitarietà della teoria) Limiti teorici Misure dirette e indirette

5 Francesco Santanastasio5 Il problema della “Gerarchia” nello SM Le correzioni quantistiche alla massa dell’Higgs divergono quadraticamente nel cutoff della teoria  Scala di Planck = Scala di unificazione della Gravità alle altre forze Se la massa dell’Higgs diverge e la teoria perde senso Il Modello Standard è una teoria effettiva fino alla scala del TeV Manifestazioni di fisica oltre il Modello Standard a questa scala di energia

6 Francesco Santanastasio6 La Supersimmetria (SUSY) Simmetria aggiuntiva tra bosoni e fermioni Nuove particelle : S-particelle, partner supersimmetrici delle particelle dello SM Risoluzione del problema gerarchico  Cancellazione dei termini divergenti in Se SUSY fosse esatta  Le s-particelle non sono state mai osservate fino ad ora  SUSY è una simmetria rotta in natura Minima estensione supersimmetrica del Modello Standard (MSSM)

7 Francesco Santanastasio7 R-Parità (R P ) Numero quantico moltiplicativo : La conservazione dell’R-Parità ha conseguenze fenomenologiche: S-particelle prodotte in coppia (Stato iniziale ha R P = +1) è vietato La s-particella più leggera (LSP) è stabile, debolmente interagente e neutra  In questo lavoro si considerano modelli in cui la R-Parità è conservata Energia mancante negli eventi di SUSY

8 Modelli di rottura di SUSY SUSY Sector Hidden Sector Messengers SUSY è una simmetria rotta Diversi meccanismi di rottura : Gauge Mediated SUSY Breaking (GMSB) Supergravità (mSUGRA), ecc… GMSB : teoria con 5 parametri Massa crescente Next to LSP (NLSP) Dipende dalla scelta dei parametri Lightest Susy Particle (LSP) Neutralino S-tau Con questa scelta dei parametri :

9 Francesco Santanastasio9 Catena di decadimento di SUSY Segnatura molto chiara di SUSY: 2 di alta energia ( ) jets, leptoni ( ) …

10 10 Scoperta di SUSY nel canale Conclusioni : Sezioni d’urto di SUSY grande Segnatura sperimentale chiara Scoperta o l’esclusione nel primo anno di presa dati ad LHC Selezione degli eventi di SUSY : 2 di alta energia  Calorimetro elettromagnetico ( )  Calorimetro adronico ed elettromagnetico jets, leptoni ( )  Tracciatore, Camere a, Calorimetri LHCCMSECALDetector:

11 Francesco Santanastasio11 Il Large Hadron Collider (LHC) LHC è un acceleratore circolare di 27 km di circonferenza Collisioni pp a Luminosità : Sezione d’urto totale : LHC è stato costruito per investigare la scala di energia del TeV Frequenza di eventi :

12 Francesco Santanastasio12 L’esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) Completamento previsto per la metà del 2007 Simmetria cilindrica  Simmetria dell’evento Rivelatore ermetico a 360°  Completa ricostruzione dell’evento Rivelatore di alte prestazioni

13 Il calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL) Un calorimetro elettromagnetico misura l’energia di ECAL: omogeneo costituito da circa cristalli scintillanti di PbWO 4 PbWO 4 : scintillatore rapido,  =8.28 g/cm 3, X 0 =0.89cm, R M =2.2cm Bassa resa di luce  Fotodiodi a valanga per amplificare il segnale 26 X 0, omogeneo  Ottima risoluzione in energia Per di alta energia (>10 GeV) c = precisione della calibrazione

14 Francesco Santanastasio14 La calibrazione dell’ECAL Obiettivo ambizioso di CMS : precisione della calibrazione  0.5% Perché è importante la calibrazione dell’ECAL ? Per la misura di fotoni :,, ecc.. Attività sperimentale importante del nostro dipartimento Allo startup di CMS  ECAL calibrato al 3% (precalibrazione) Rapida calibrazione in situ al livello del % : Calibrazione con Z/W  Rate di produzione di Z/W : 10 2 Hz  Calibrazione “pulita” mese/i 0.5% Calibrazione con   (proposta):  Prodotti in abbondanza nelle int. pp  Maggiore fondo di QCD e rumore elettronico  Non necessità tracking Giorni ?? 1% ??

15 Canale di calibrazione dedicato ai  0 L1 TriggerHLT 10 5 Hz10 2 Hz Metodi Standard di calibrazione Stream dedicato alla calibrazione Selezionare eventi ricchi di  0 Rate molto elevata :  Formato ridotto per la descrizione dell’evento  Pre-selezione dell’output del L1T Proposta : Utilizzare i “candidati e.m. di L1” per selezionare  0 isolati 10 9 Hz 10 2 Hz (Z,W,b,t,H,SUSY) Resto : “fondo” QCD Elevata Statistica  Come analizzare eventi ad elevata frequenza ?

16 Francesco Santanastasio16 Ricostruzione dei  0 usando i “candidati e.m. di L1” Un  0 è identificato da 2 depositi di energia elettromagnetici (2 fotoni) vicini nel calorimetro Ricostruire i  0 all’interno di regioni ridotte (20x20 cristalli) dell’ECAL con rilevanti depositi di energia elettromagnetica (“candidati e.m. di L1”) Depositi di energia nella matrice Criteri di selezione Energia Distanza Forma ecc.. S/B = 50% Eventi simulati di QCD fondo combinatorio  + energetico  - energetico

17 Francesco Santanastasio17 Descrizione del metodo di calibrazione Il metodo è basato sulla relazione tra la massa vera e quella ricostruita del   Sistema lineare sovradeterminato #equazioni = #eventi ricostruiti di   #incognite = coeff.di calibrazione C i Diversi metodi per risolvere il sistema : Invertendo la matrice dei coefficienti Metodi iterativi Bisogna calibrate migliaia di cristalli :

18 Francesco Santanastasio18 Stima dei tempi di calibrazione previsti La precisione statistica con cui sono noti i coefficienti di calibrazione è legata a :  larghezza sperimentale del picco di massa invariante numero di eventi accumulati in ciascun cristallo Considerando : rate del Trigger di L1 = 10 4 Hz larghezza del picco = 10% 0.02  0 ricostruiti per evento assenza di fondo Limite inferiore : Calibrazione all’1% dell’intero barrel in tempi dell’ordine del giorno di presa dati a bassa luminosità Sono necessari :  studio approfondito del fondo  studio delle sistematiche del metodo

19 Francesco Santanastasio19 Il test beam combinato ECAL-HCAL Estate 2006 : test su fascio di prova (SPS) del sistema calorimetrico di CMS Interesse per la tesi : possibilità di inserire un bersaglio lungo direzione del fascio per produrre un fascio secondario di  0 mediante la reazione  Verificare l’algoritmo di ricostruzione e calib. sulla base di dati veri  Studi ulteriori sulla forma dei depositi di energia ECAL HCAL TARGET SPS

20 Francesco Santanastasio20 Conclusioni Misura di SUSY nei modelli GMSB : Elevate sezioni d’urto Segnatura sperimentale molto chiara Scoperta o esclusione nel primo anno di LHC Calibrazione del calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL) Importante per le misure di fisica di CMS (SM, SUSY,ecc..) Importante attività del nostro dipartimento Tecnica alternativa consiste nel calibrare con Studi preliminari suggeriscono che è possibile una calibrazione al livello del % in pochi giorni di presa dati ad LHC

21 Francesco Santanastasio21 Backup-Slides

22 Francesco Santanastasio22 Massa Efficace La Massa Efficace è una variabile inclusiva utile per distinguere segnale di SUSY dal fondo dello SM E’ sensibile ai prodotti di decadimento ad alto caratteristici di una catena di decadimento in SUSY Eccesso di eventi di SUSY rispetto al fondo dello SM ad alta hep-ph/ v2 (Dec 1998 )

23 Francesco Santanastasio23 Misura della massa delle s-particelle Studio dettagliato di una catena di decadimento di SUSY (es.) Limite superiore netto alla distribuzione di massa invariante Selezione degli eventi : Combinando simili relazioni è possibile misurare : Massa delle s-particelle Parametri della teoria hep-ph/ v2 (Dec 1998 )

24 Francesco Santanastasio24 Sistema di Trigger di CMS Scopo : ridurre la rate di eventi da processare e registrare mantenendo alta l’efficienza per gli eventi di fisica “utili” riducendo il puro “fondo” LHC : 10 2 Hz : Eventi di fisica “utili” (Z,W,b,t,H,SUSY,ecc..) 10 9 Hz Il Rimanente è “fondo” (praticamente il 100%) : Eventi di collisione pp elastica (Minimum Bias) Eventi di QCD a basso

25 Francesco Santanastasio25 La vita media del La fenomenologia del GMSB dipende dalla vita media della NLSP Il suo cammino medio è funzione di un parametro ignoto della teoria Almeno 2 fotoni di alta energia per ogni evento di SUSY (98% dei casi) Energia traversa mancante nell’evento dovuta alla presenza dei gravitini I 2 fotoni decadono con alta probabilità fuori dal rivelatore Segnatura simile a quella dei modelli in cui il neutralino è stabile Di grande interesse è il decadimento

26 Francesco Santanastasio26 La calibrazione dell’ECAL Coeff. di calibrazione : Energia vera = C * Risposta del rivelatore APD Per gli obiettivi di fisica di CMS la precisione dovrà raggiungere lo 0.5% Precalibrazione : 10%  3% Calibrazione in situ : 3%  0.5% : Energy Flow (simmetria in  dei depositi di energia) Calibrazione tramite eventi fisici : Metodi Standard : Proposta in fase di studio :

27 Francesco Santanastasio27 La calibrazione dell’ECAL Per gli obiettivi di fisica di CMS la precisione dovrà raggiungere lo 0.5% Obiettivo ambizioso e difficile da raggiungere (75000 canali) Fasi della calibrazione : Precalibrazione : 10%  3-4% Calibrazione in situ : 3%  0.5% Energy Flow (simmetria in  dei depositi di energia) : 3-4%  2% Calibrazione tramite eventi fisici : Metodi Standard : Calibrazione tramite il decadimento

28 Francesco Santanastasio28 La calibrazione tramite il decadimento Grande sezione d’urto ad LHC  Elevata statistica Tempi ridotti di calibrazione al livello del % (giorni di presa dati) Non dipendente dagli effetti di “Breemsstrahlung ” (vedi elettroni) Contaminazione del fondo di QCD per la selezione degli eventi Limitata separazione angolare tra i fotoni : Bassa efficienza di ricostruzione Peggior risoluzione sul picco di Rumore elettronico a bassa energia Confronto con i metodi Standard : Elevata statistica  Analizzare eventi a elevata frequenza

29 Francesco Santanastasio29 Algoritmo di ricostruzione dei  0 Algoritmo di ricostruzione : Identificazione dei cluster in ciascuna regione di 20x20 cristalli Selezione dei cluster mediante l’uso di variabili distintive : Energia Distanza tra essi Forma laterale ecc… Un  0 è identificato da due depositi di energia (cluster) vicini nel calorimetro elettromagnetico dovuti ai fotoni del suo decadimento

30 Francesco Santanastasio30 Picco di massa invariante del  0 Analisi preliminare : Dataset : eventi simulati di QCD Semplici tagli cinematici Efficienza di ricostruzione : 0.02  0 per evento Rapporto segnale/fondo : 50% In fase di studio :  Criteri per la riduzione del fondo  Miglioramento dell’efficienza

31 Francesco Santanastasio31 Progetto di lavoro Calibrazione tramite il decadimento Studi ulteriori sulla pre-selezione dell’output del L1T per ridurre la quantità di dati da processare per il canale di calibrazione Riduzione del rapporto segnale/fondo attraverso l’ottimizzazione dei tagli di selezione dell’algoritmo Verifica dell’applicabilità dell’algoritmo di calibrazione iterativo tramite lo studio del fondo e delle sistematiche del metodo Stima corretta dei tempi di calibrazione allo startup di CMS Canale di fisica di SUSY : Ricerca e produzione degli eventi simulati di SUSY e di fondo (SM) Valutare la fattibilità dell’uso di una simulazione dettagliata del rivelatore nei tempi previsti dalla tesi


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