Ricerca di nuova fisica in CMS Mario Galanti Università e INFN - Catania

Sommario Problematiche generali Trigger e strumenti Strategie di ricerca mSUGRA Modelli alternativi Non parlerò di Ricerche esclusive (v. talk precedente) Extra dimensions & Co. (v. talk successivi)

Problematiche generali

Fisica oltre il Modello Standard Problema principale delle ricerche di nuova fisica: Esistono molti modelli (sia supersimmetrici sia non) consistenti con i dati in nostro possesso Esperimenti in acceleratori a “bassa” energia (LEP, Tevatron) Vincoli cosmologici (WMAP, dark matter, ...) Ciascun modello presenta parametri liberi Per il MSSM Npars ≈ 100 Ciascun modello (mSUGRA, GMSB, little Higgs, ecc.) prevede spettri di massa con caratteristiche molto diverse Nel seguito parlerò soprattutto di mSUGRA

Ricerche di nuova fisica Ricerche inclusive: Cercare un eccesso nel numero di eventi osservati rispetto al fondo SM previsto Ricerche esclusive: Studiare dettagliatamente i singoli processi fisici e ricostruire le nuove particelle Ricostruzione delle catene di decadimento Misure dello spettro delle masse (v. il talk di Tommaso)

Ricerche inclusive Strategia generale Riuscire ad osservare eccessi di eventi rispetto alle previsioni dello SM In fase di preparazione dell’esperimento: Analizzare i vari modelli disponibili Trovare le segnature migliori Fare uno “scan” dello spazio dei parametri e trovare la significatività di S/B in ogni punto. In fase di analisi dei dati: Cercare differenze significative tra Nev previsti e effettivamente osservati, per le varie segnature studiate Coprire tutte le possibili topologie di evento Successivamente, cercare di distinguere tra i vari modelli Early discovery: rivelatore non calibrato e/o incompleto (v. dopo)

SUSY al LHC Squark e gluini hanno alta σprod al LHC, poiché queste particelle sono dotate di interazione forte Catene di decadimento lunghe Segnature caratteristiche Jet ad alto PT Leptoni ad alto PT Se la parità R è conservata: alta ETMiss Se c’è violazione della parità R, possibile il decadimento χ10jjj Minore ETMiss, alta molteplicità dei jet Necessario predisporre diverse strategie per i vari scenari possibili ~

Tools e trigger

Il trigger di CMS Riduzione del rate di eventi da O(100 MHz) a O(100 Hz) Vari livelli di trigger L1 implementato in hardware (100 MHz  100 KHz) Prende informazioni dai calorimetri e dalle camere per muoni Fornisce candidati per e, μ, τ e γ, jet, numero di jet, ET HLT implementati in software (100 KHz 100 Hz) Informazioni da tutto il rivelatore

Trigger per SUSY: punti di benchmark 6 punti di benchmark scelti per testare il trigger di CMS Rappresentano diversi scenari difficili per il trigger Solo dei “case studies”, non test esaustivi per valori qualsiasi dei parametri Punto m0 (GeV) m1/2 (GeV) σ (pb) 4 20 190 181 5 150 180 213 6 300 500 7 250 1050 0.017 8 900 930 0.022 9 1500 700 0.059 A0 = 0, tanβ = 10, μ > 0 Low Mass (LM): - Bassa ETMiss - Particelle a basso PT High Mass (HM): - Sparticelle con alta massa - σprod molto basse 4, 5 e 6 esclusi dal LEP, ma utili lo stesso per testare le prestazioni del trigger Gli stessi punti studiati anche per il caso di parità R violata, con χ10jjj ~

Strategie di trigger Trigger studiati Punti LM: Per i punti HM: Caso low-lum (se SUSY è qui, scoperta subito) Trigger L1: 3 jet (ET > 86 GeV) 1 jet (> 79 GeV) +ETMiss > 46 GeV HLT: 1 jet (> 180 GeV) +ETMiss > 123 GeV 4 jet (ET > 113 GeV) Per i punti HM: Caso high-lum (punti a bassa σ, serve alta ∫L) 3 jet (ET > 111 GeV) 1 jet (> 113 GeV) +ETMiss > 70 GeV ETMiss > 239 GeV 4 jet (ET > 185 GeV) La violazione della parità R comporta un maggiore Njet e minore ETMiss

Prestazioni del trigger Risultati a bassa luminosità 4 jet, ET > ETMin 1 jet + ETMiss > ETMin Efficienze cumulative (%) Punto 4 5 6 4R 5R 6R L1 92 85 94 93 87 HLT 69 68 44 46 41 26 Risultati ad alta luminosità Efficienze cumulative (%) Se la parità R è conservata, i trigger con ETMiss hanno efficienza abbastanza alta Degradazione per il caso di violazione della parità R I trigger di n jet compensano, soprattutto per i punti HM Punto 7 8 9 7R 8R 9R L1 90 98 94 100 HLT 85 92 76 88 64

Strumenti software Cambio di tutti i tool software (FortranC++) OSCAR (simulazione) ORCA (ricostruzione) FAMOS (simulazione+ricostruzione veloci) Molta enfasi attualmente sullo sviluppo e sulla validazione di questi nuovi strumenti Sviluppare e raffinare gli algoritmi di ricostruzione (Relativamente) pochi canali di fisica studiati Servono anche come banchi di prova per questi strumenti Successivamente: Rifare le analisi eseguite con i vecchi tool Studiare i canali attualmente scoperti

mSUGRA

mSUGRA Riduzione del numero dei parametri rispetto a MSSM Unificazione dei parametri alla scala GUT (~MPlanck) Parità R PR=(-1)3(B-L)+2s LSP stabile (neutralino) Parametri liberi: m1/2, m0, tanβ, sign(μ) e A0 Risultati dati in funzione di (m1/2, m0), per valori fissati degli altri tre parametri Le RGE traducono i valori delle masse dalla scala GUT a quella EW Relazioni (approssimate) tra le masse: M(g)≈3M(χ1±) ≈M(χ20) ≈2M(χ10) M(g)≈M(q) >M(χ) Resta una grossa indeterminazione nello spettro delle masse ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Punti di benchmark di mSUGRA LM1, LM2 e LM6 strettamente compatibili con le ultime misure sulla materia oscura (WMAP) Uguali a B’, I’ e C’ (M. Battaglia et al., hep-ph/0306219) Gli altri LM compatibili abbandonando la condizione di universalità del parametro di massa dell’Higgs M(g) > M(q) Dominante il decadimento gq+q M(g) < M(q) tranne che per b o t Dominante il decadimento g  b+b (t+t) M(g) < M(q) q pesanti, anche oltre (LM7) la zona visibile Importanti qq+g e il decadimento in 3 corpi del g Varie topologie possibili per i decadimenti dei χ χ20ℓ+ℓ, χ20ℓ+ℓ+ χ10, χ20Z0+ χ10, χ20h0+ χ10, etc… χ1+ ℓ+ν, χ1+ ℓ+ν+ χ10, χ1+ W++χ10, etc… Point m 0 (GeV) m 1/2 (GeV) tan(β) sign(μ) A 0 LM1 60 250 10 + 0. LM2 175 350 35 LM3 330 240 20 LM4 210 285 LM5 230 360 LM6 85 400 LM7 3000 LM8 500 300 -300 LM9 1450 50 HM1 180 850 HM2 800 HM3 700 HM4 1350 600 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Ricerche inclusive Tagli di preselezione: ETMiss > 200 GeV ≥ 2 jets con PT > 40 GeV Fondi considerati: tt, Zj, Wj, QCD(incl. bb) Eventi classificati in base a Nlep: 0ℓ, 1ℓ, 2ℓOS, 2ℓSS, 3ℓ, ecc. (Abdullin-Charles, 1999) - Scan del piano (m0, m1/2) con tagli aggiuntivi Distribuzioni dei leptoni simili tra sig e bkg Utili ulteriori tagli su Njets, ETMiss ed ETjet Punti di mSUGRA Valori dei tagli Segnatura m0 (GeV) m1/2 (GeV) Njet ETMiss (GeV) ETjet1 (GeV) ETjet2 (GeV) ∆φ(PTlep,ETMiss) μ isol. s/√(S+B) ETMiss 500 1200 2 900 600 Off 5.77 1600 1000 7 300 4.2 1ℓ 400 1100 20 On 4.66 4 800 4.68 3ℓ 700 150 80 6.37 1400 200 off 4.72

Risultati Limiti di scoperta di CMS ETMiss + 2 jet inclusiva: S/√(S+B) > 5 σ ETMiss + 2 jet inclusiva: Segnatura migliore Importante soprattutto al limite per alta ∫L Segnature n(≥1) ℓ: Limiti di scoperta più stretti Possono comunque essere utili per basse ∫L ∫L = 100 (300) fb-1 A0 = 0, tan(β) = 35, μ < 0 ∫L = 100 fb-1 A0 = 0, tan(β) = 2, μ > 0

Esempio di analisi: 2μSS Canale favorevole: (Drozdetski, 2004) Alta efficienza di trigger per i μ Segnale molto pulito e facile da individuare (anche con un rivelatore non calibrato) Contaminazione da parte del fondo minore rispetto a ETMiss + N jets Punti scelti per l’analisi Tagli di preselezione: 2 μ SS con PT > 10 GeV Muoni ricostruiti da informazioni di tracciatore e rivelatore per muoni Jet con algoritmo IterativeCone (R=0.5) ETMiss con correzioni di ETjet m1/2 m0 18 15 12 14 17 9 7 16 5 4,6,8,10,11,19,20 2 1 3 13

2μSS: processi di fondo Fondi SM principali Altri fondi considerati - contributo trascurabile N1: Numero totale di eventi attesi per ∫L=10 fb-1 N2: Numero di eventi che passano i tagli di preselezione

2μSS: tagli applicati Considerate le distribuzioni di: Tagli scelti ETMiss ET dei jet PT dei μ Scelte le variabili su cui fare i cut, si sono studiati diversi valori per l’ottimizzazione: ETMiss: 0, 100, 150, 200, 250, 400, 500 GeV ET jet1: 0, 70, 100, 200, 300, 400 GeV ET jet3: 0, 30, 50, 80, 100, 170, 250 GeV PT μ1: 10, 20, 30, 60, 100, 150 GeV/c PT μ2: 10, 15, 20, 50, 80 GeV/c Min IPμ: N/A, 0.005, 0.0015, 0.0005 cm Max IPμ: N/A, 0.1, 0.03, 0.01, 0.005 cm >105 insiemi di tagli Scan dello spazio dei tagli per determinare i set che danno i valori migliori di S/√(S+B), S/B e Nev Tagli scelti (Oltre a PT di entrambi i μ > 10 GeV): Set #1: ETMiss > 200 GeV ET jet3 > 170 GeV PT μ1 > 20 GeV Set #2: ETMiss > 100 GeV ET jet1 > 300 GeV ET jet3 > 100 GeV Esempio mSUGRA point 3: m0=149 GeV m1/2=700 GeV Tan(β) = 10 A0 = 0 sign(μ) > 0

2μSS: risultati In nero i punti per cui la significatività è > 5σ per ∫L=10 fb-1 m1/2 m0 18 15 12 14 17 9 7 16 5 4,6,8,10,11,19,20 2 1 3 13 Molti punti saranno visibili già con ∫L<<10 fb-1 Significatività per molti punti >> 5 Studiata la stabilità dei risultati: +30% eventi SM e –30% eventi SUSY contemporaneamente Solo uno dei punti di scoperta (#13) va fuori dalla zona visibile

Modelli alternativi

SUSY soft breaking non universale Relazioni (approssimate) in mSUGRA tra le masse delle sparticelle alla scala EW: Legate all’ipotesi di universalità dei termini di rottura soft della supersimmetria alla scala GUT Modelli alternativi abbandonano l’ipotesi di universalità: Maggiore libertà nello spettro delle masse Possibile inversione della gerarchia delle masse Particelle SM leggere  partner pesanti Spiegherebbero meglio il disaccoppiamento degli effetti supersimmetrici dalla scala EW Scalari di 1a e 2a generazione pesanti (~5-20 TeV) Scalari di 3a generazione leggeri (<1 TeV) per conservare la naturalezza Scenari particolarmente difficili dal punto di vista sperimentale: solo poche sparticelle entro il reach di LHC

Caratteristiche sperimentali Studiata una segnatura “classica”: (n ≥ 2,3,4) jets (m ≥ 0) leptoni ETMiss Risultati: Limiti di scoperta dipendenti dalla relazione tra M(χ10) e min[M(g), M(q)] Scoperta più difficile al crescere di MLSP (i jet prodotti hanno minore energia) Cancellazione parziale dell’ ETMiss delle due LSP Limiti (asintotici) di scoperta per M(χ10) ≈ min[M(g), M(q)]: min[M(g), M(q)] ≤ (1.2 ÷ 1.5) TeV M(q3) ≤ 800 GeV (se è M(q1,2)>>M(q3)) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Gauge Mediated Symmetry Breaking MSSM non definisce l’origine dei parametri di rottura della SUSY Settore nascosto che non “sente” le interazioni SM e in cui la SUSY è rotta spontaneamente Gli effetti sono trasportati al settore visibile con una interazione indipendente dal sapore GravitàmSUGRA Settore messaggeroGMSB La rottura è trasmessa al settore messaggero da una nuova interazione, e da questo al settore visibile dalle interazioni di gauge Caratteristiche fenomenologiche: La LSP è il gravitino G Modelli classificati in base alla NLSP: Stau τ1 Neutralino N1 Decadimento NLSPLSP Grossa libertà nei valori di cτ ~ ~ ~

GMSB: aspetti sperimentali ~ ~ τ1 è la NLSP N1 è la NLSP cτ>>L Segnatura simile a un μ pesante Fenomenologia simile a mSUGRA cτ~L La NLSP decade dentro il rivelatore, possibili misure di vita media cτ<<L Decadimento in 2τ Decadimento in 2γ L=dimensioni del rivelatore

Little Higgs I campi di Higgs sono bosoni di Goldstone associati ad una rottura di simmetria globale ad una scala Λ~10-30 TeV Acquistano massa mediante una SSB alla scala elettrodebole Cancellazioni al primo ordine tra particelle della stessa statistica e la simmetria globale approssimata mantengono leggeri i campi di Higgs Un nuovo quark simile al top di carica 2/3: T Nuovi bosoni di gauge pesanti: WH±, ZH, AH Nuove particelle di Higgs che formano un tripletto SU(2): 0, +, ++ Caratteristiche fenomenologiche: Vincoli sulle masse: MT < 2 TeV/c2 MW < 6 TeV/c2 M < 10 TeV/c2 “Littlest Higgs” Meccanismi di produzione del T: Produzione associata: ggTT e qq TT Produzione singola: qb q’ T Model-dependent Canali più favorevoli: th e tZ (25% l’uno) TbW (50%) sommerso dal fondo SM _ _ -

Risultati preliminari Strategie di ricerca Canale T ht, h bb Decadimento leptonico del W dal top σ=8.9 fb T Zt, Z ℓ+ ℓ- Decadimento leptonico della Z σ=0.92 fb Topologia del segnale 3 b-jet 1 ℓ isolato (ℓ=e, μ) ETMiss 1 jet leggero 1 b-jet 3 ℓ isolati (ℓ=e, μ) ETMiss 1 jet leggero Fondi importanti pp tt, t bW, decadimenti semileptonici dei W (σ=886 pb) pp Wbbjj (σ=3.95 pb) pp W+4 jets (σ=146 pb) WZ+jets, con decadimenti leptonici di W e Z, e uno dei jet mistagged come b-jet Risultati preliminari Basso rapporto S/B Con 3 b-jet si deteriora troppo l’efficienza Si studiano strategie di selezione meno restrittive (2 b-jet, decadimento adronico del W) Canale più promettente: scoperta possibile per alta ∫L Fondo quasi del tutto soppresso dalla richiesta di 1 b-jet

Conclusioni Mostrate alcune delle analisi compiute (o in corso) in CMS riguardanti la ricerca di fisica oltre il Modello Standard Performance del trigger ottimizzate per far fronte a vari scenari (SUSY con sparticelle a bassa o alta massa, conservazione o meno della parità R) mSUGRA: Scan del piano (m0, m1/2) per determinare i limiti di scoperta di CMS; rivelatore sensibile a sparticelle con massa fino all’ordine di 2÷3 TeV Alcune analisi più dettagliate per canali specifici (2μSS) Modelli alternativi Modelli non universali: studi inclusivi mostrano che CMS sarà sensibile a sparticelle con masse almeno fino al TeV GMSB: Studiate alcune segnature particolari; buona sensibilità per NLSP con alta vita media Little Higgs: analisi ancora all’inizio, si cercano le segnature e le tecniche di analisi migliori