SUSY and Beyond the Standard Model a CMS e ATLAS Massimiliano Chiorboli (Università di Catania) Davide Costanzo (Berkeley National Laboratory)

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Necessità di andare oltre lo SM Ottima descrizione della Fisica dalla scala atomica a m Estensione motivata dallo Hierarchy Problem Planck scale (10 19 GeV) >> EW scale (10 2 GeV) Le correzioni radiative portano la massa dell’Higgs alla scala più alta, a meno che uno spinto fine tuning dei parametri non dia delle cancellazioni Possibili soluzioni: Supersimmetria Little Higgs Extra Dimensions Technicolor, Modelli Higgsless (non trattati in questo talk) (non trattati in questo talk)

SUPERSYMMETRYSUPERSYMMETRY

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Supersimmetria (SUSY) Raddoppia i gradi di libertà MSSM (~q, ~g, ~l, ~  ) Modelli (mSUGRA, GMSB, ecc.) Fenomenologia (mSUGRA): Alta molteplicità high-pT leptons high-pT jets Missing ET

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS SUSY: Trigger Obiettivo : ridurre i 40 MHz bx rate ( ~1 GHz pp) → O(100 Hz) Preservare la massima efficienza di segnale SUSY in canali jets + ETmiss Grosso rate QCD: trigger rate su nastro limitato dalla potenza di calcolo HLT Studio di ottimizzazione (CMS) Punti a limite della regione di scoperta di TeVatron R-conserving e R-violating Full simulation su segnali SUSY e fondi SM per valutare l’efficienza di trigger Efficienza ottimizzata per un rate O(10 Hz) Schemi possibili (low-lum): 1 jet con ET > 180 GeV & missing ET > 123 GeV 4 jets con ET > 113 GeVEfficienze: 60-70% R-conserving 25-45% R-violating

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS SUSY: Scoperta Jets+MET danno la migliore sensibilità Tempi limitati non dalla statistica, ma dalla comprensione delle prestazioni dei rivelatori Calibrazioni della scala di energia dei jet Calibrazioni della missing energy Occorrono grandi quantità di dati W,Z,ttbar per una corretta stima dei fondi Scoperta possibile fino a masse di ~q e ~g dell’ordine di TeV con 300 fb -1 A 0 = 0 tan  = 35  > 0 A 0 = 0 tan  = 35  > 0 ~1 34 ~1 33 ~1 33 Tevatron reach < 0.5 GeV ~ 1 LHC Tevatron reach < 0.5 GeV ~ 1 LHC Various luminosities Various luminosities FAST SIMULATION

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS SUSY scoperta Analisi di supporto basate su leptoni trigger più efficiente migliore soppressione del fondo m 1/2 m 0 FULL SIMULATION 10 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS SUSY Misura dei parametri Scegliere alcuni punti di benchmark nello spazio dei parametri mSUGRA Identificare catene di decadimento in modo esclusivo Se una catena di almeno 3 two-body-decays può essere isolata, le masse e gli impulsi delle particelle possono essere misurate. Edge e soglie nelle distribuzioni di massa invariante funzioni delle masse delle particelle ~ ~  ~  ll l qLqL q ~ SM trascurabile 100 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS SUSY Misura dei Parametri M llq High M lq Low M lq M ll M llq M hq ATLAS punto SPS1 (m 0 =100, m 1/2 =250, tan  =10, A 0 =-100,  >0) ATLFAST (fast simulation) end-point misurati con errori dell’1÷2% Sparticle Expected precision (100 fb -1 ) q L  3%  0 2  6% l R  9%  0 1  12% ~ ~ ~ ~ 100 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Le incertezze sistematiche sulla scala di energia di jet e leptoni dominano sulle incertezze statistiche Sfruttare grande statistica di Z→ll, W→jj per le calibrazioni Lepton scale: Z→ll (2 ev/s a ), constraint sulla massa di Z LHC goal: 0.1% Sistematici dominanti: Z→ee – conoscenza del materiale nella parte interna del detector (goal 1%), modelling del bremsstrahlung (goal 10%) Z→  –  mapping del campo magnetico, allineamenti Jet scale: Z(→ll)+jet, richiedendo p T (jet) = p T (Z) W→jj, in eventi tt→bWbW, richiedendo m jj =m W LHC goal: 1% Sistematici: Final State Radiation, cono per la ricostruzione del jet

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Full simulation Simulazione completa (Geant3) del rivelatore (ATLAS) 100K eventi simulati, 5.3fb -1 Massa invariante (Flavor subtracted) (Flavor subtracted) Edge atteso a 100.3GeV (misurato ±1.2 GeV) (misurato ±1.2 GeV) ~ ~  ~  ll l qLqL q ~ Massa Invariante 5.3 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Ricostruzione delle S-particelle Ricostruzioni possibili già a 1-10 fb -1 Incertezze statistiche << 1% con 300 fb -1 Incertezze principali: energy scale e M(  1 0 ) p p b b 300 fb -1

Little Higgs

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Little Higgs Idea: cancellazione tra stati con uguale spin Naturale se inglobata in una simmetria più ampia Higgs pseudo-Goldstone di una simmetria globale Diversi modelli Littlest Higgs: SU(5) → SO(5) [SU(2)  U(1)]  [SU(2)  U(1)]→ SU(2)  U(1) bosons fermions gauge bosons new quarks new gauge bosons quarks cancellations SUSY : Little Higgs :

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Little Higgs - T Quark Search Parametri: M T,    ATLAS Fast simulation (hep-ph/ ) Plot per 300 fb -1 Limite di scoperta 5σ per λ 1 /λ 2 = 1 (2) e 300 fb -1 M T < 1050 (1400) GeVM T < 2000 (2500) GeV 4  for M T = 1000 GeV 3  for M T = 700 GeV TT T T→Zt→l + l - lνbT→Wb→lνbT→ht→bblνb WZ,ZZ,tbZ tt,t tt 300 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Little Higgs - Heavy Gauge Bosons cot  = 1.0 S  5000 B  20 cot  = 0.2 S  100 B  8 M Z = 2 TeV Parametri: M, cot  (per Z H ), tan  ’ (per A H ) Scoperta: A H, Z H → ee,  W H →e,  Fino a 5 TeV, tranne per piccoli cot  (W H,Z H ) e per tan  ’≈1.3 Dalla   misura di  Canali specifici per LH: Z H →Zh→llbb W H →Wh→l bb W H /Z H → W/Z h→ qq  M Z = 2 TeV Z+jet 100 fb fb -1

Extra Dimensions

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Extra Dimensions Hierarchy problem risolto in modo “geometrico”: Interazione gravitazionale così debole solo perché “diluita” in n dimensioni Non abbiamo mai visto le dimensioni extra perché esistono a scala R < 1 mm Verifiche dirette dell’interazione gravitazionale fino a R ~ 1mm Molti modelli. LHC-friendly: ADD (Arkani-Hamed – Dimopoulos – Dvali) TeV-1 sized ED RS (Randall – Sundrum)

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS ADD n extra-dimension di size TeV -1 <<R 0 <0.2 mm (n=1 escluso, n=2 quasi escluso) Geometria “flat” Gravità nel bulk, va come R -(2+n) per R < R 0 ed è forte a scala M D (~ TeV) M D n+2 R 0 d = M Planck → R 0 ~ 1 mm (n=2) or 10 fm (n=6) (Large Extra Dimensions) SM particles nel “brane” (3+1 dimensioni) Eccitazioni Kaluza-Klein del gravitone di bassa energia. Coupling con le particelle SM debole e universale. Grande numero di stati (~continuo).

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Large extra dimension: direct searches Produzione diretta di gravitoni KK LEP+Tevatron+Hera limits ~ 1.4/0.6 TeV (  =2/6) ATLAS search (L. Vacavant and I. Hinchliffe, J. Phys. G27, 1839) G q q _ g(jet),  jet(s) + MET  + MET E T miss (GeV) Events/20 GeV fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS TeV -1 sized Extra Dimensions Una ED bosoni di gauge bosons nel bulk Fermioni sulla 4D brane ad uno/due punti fissi nella 5 a dimensione (M1/M2 models). KK spectra for Z (k),W (k) : m k 2 = m 0 2 +k 2 M C 2 EW data: M C > 4 TeV Solo la prima risonanza osservabile Scoperta con ee, , e,  Misure di precisione con elettroni ATLAS    Z  → ee, 100 fb -1 M1 M2 SM DY ATLASe + e - Sensitivity to peak (100 fb -1, S/√B>5, S>10): 5.8 TeV Reach (with interference in tail, el.,100 fb -1 ): 9.5 TeV Ultimate (with interference, el.+muons, 300 fb -1 ): 13.5 TeV  E/E 2 TeV e  TeV  ATLAS   CMS   100 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Altri modelli di Z pesanti Studio CMS per Z’ generico Z’→      BR(6-8%) Z SSM, Z , Z , Z , Z LRM, Z ALRM Limiti sulla massa Attuale: GeV Previsto per LHC start-up: 1 TeV FULL SIMULATION BKG only Sig + Bkg 0.1 fb -1

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS RS – Randall Sundrum 2 brane (TeV brane e Plank brane) connesse da una 5 a dimensione a geometria curva Gravità nel bulk Gravity scale   ~ M Pl e -krπ ~ TeV se kr ~ 12, scala dei processi sulla TeV- brane (y =  R) Curvatura 0.01 < c=k/M Pl < 0.1 Eccitazioni KK del gravitone: M n = kx n e -krπ con J 1 (x n ) = 0, M 1 = 0.83 c   Coupling degli stati KK ~ 1/   c = 0.01 c = 0.05 c = 0.1 y y=0 y=R 

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS G → e + e - m G = 1.5, 1.75, 2 TeV c = 0.01 FULL SIMULATION RS - Gravitone e + e -, 100 fb -1 m G = 1.5 TeV, c = 0.01 Canali di scoperta: G→ee, ,  Regione di interesse totalmente coperta con 100 fb -1 Possibilità di misuare i parametri da M,  e  Misura dello spin in un’ampia regione (end-caps needed!)  * angolo tra il fascio e il leptone nel centro di massa del dileptone 100 fb -1 DY

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS RS - Radion Scalare che rappresenta fluttuazioni nella metrica della 5 ° dimensione Possibilmente più leggero di G (1) Può mixare con l’Higgs:  Higgs-like couplings Parametri: , m , m H,    bb: ampia regione nel piano (  )  bb: conferma bbbb: accurata conoscenza del bkg (< 0.1%) Working point: M  =300 GeV/c 2, m H =125 GeV/c 2 ,    TeV Scan in ( ,    plane 30 fb -1 FULL SIMULATION  jj  cc  bb ttbar Z+j, W+j Zbb QCD ttbar ttjj Zbb

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Conclusioni LHC macchina ideale per vedere nuova fisica Supersimmetria scoperta possibile in ampie regioni dello spazio dei parametri scoperta possibile con bassa luminosità integrata possibilità di misurare le masse e di ricostruire i picchi in certe regioni dello spazio dei parametri più modelli presi in esame Little Higgs Scoperta possibile per T, W H, Z H (dopo diversi anni di presa dati) Possibilità di osservare i decadimenti specifici del modello per W H e Z H Extra-Dimensions Diversi modelli presi in esame (ADD, TeV -1, RS) Possibilità di scoperta fino ad alte scale (masse) Osservazione diretta di gravitoni, bosoni pesanti, radioni

Additional slides

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Heavy Higgs Less constrained in mass qq → φ ++ φ -- → 4l (too small cross section) cross section) qq → q ’ q ’ φ ++ → q ’ q ’ W + W + → q ’ q ’ ll qq → q ’ q ’ φ ++ → q ’ q ’ W + W + → q ’ q ’ ll Coupling φ WW depends on v ’ (VEV of Higgs triplet) From EW data v ’ < 15 MeV For m  = 1000 (1500) GeV discovery requires v ’ > 29(54) MeV   and   probably even more difficult   WWqq 300 fb -1 hep-ph/

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Effetti di saturazione in ECAL Elettroni molto energetici: saturazione nell’elettronica di ECAL Sviluppo di un algoritmo di correzione

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Black Holes Se √s > M Pl (gravity scale) è possibile la produzione di black holes.  ~  R s 2 (grande, ma suoppressa dalla parton pdf)  tot = 0.5 nb (M p = 2 TeV, δ=7)  tot = 120 fb (M p = 6 TeV, δ=3) Incertezze per la mancanza di una quantum gravity theory Decadimenti per Hawking radiation con T ~ 100 GeV (10 15 K) Molteplicità ~ 10, tutte le particelle con m << T prodotte con uguale probabilità

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Black Holes BH detection: Tag event with at least 4 jets + photon or electron → SM background small M BH reconstructed for each event Higgs Discovery from BH decays: High production rate of BH + democratic decay of BH: MP ~ 2 TeV and n=3 →  BH = 450 pb → 1 light Higgs every 3 s M P = 3 TeV M P = 7 TeV M P = 5 TeV m H =130GeV W/Z

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS GMSB ~  -NLSP uso del muon system per misurare il time-of-flight di leptoni pesanti Massa dello ~  misurabile in range GeV per 100 fb -1 ~  -NLSP Sciami elettromagnetici non puntati al vertice Per grandi c  : sciami elettromagnetici nel muon system

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Large ED: indirect searches Lo scambio virtuale di gravitoni modifica la  di Drell-Yan e le asimmetrie Divergenza UV, mancata conoscenza della teoria completa – uso di un cut-off M S  pp  M eff = 4 TeV V. Kabachenko et al., ATLAS-PHYS M(ll) (GeV) M  (GeV) ATLAS, 100 fb -1 M S < 5.1 TeV ll M S < 6.6 TeV  KK q q _ ee, , 

14/10/2004 M. Chiorboli & D. Costanzo II Workshop Italiano sulla Fisica a CMS e ATLAS Una variazione di una fattore 2 del background muove le curve di qualche decina di GeV