Progetto di Tesi di Dottorato 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

Francesco Santanastasio 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 Francesco Santanastasio

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 Francesco Santanastasio

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

Il problema della “Gerarchia” nello SM Le correzioni quantistiche alla massa dell’Higgs divergono quadraticamente nel cutoff della teoria L 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 TeV?perche’? Francesco Santanastasio

La Supersimmetria (SUSY) Minima estensione supersimmetrica del Modello Standard (MSSM) 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 S-particelle -- non interagiscono con la materia Se SUSY fosse esatta  Le s-particelle non sono state mai osservate fino ad ora  SUSY è una simmetria rotta in natura Francesco Santanastasio

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

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

Catena di decadimento di SUSY … Segnatura molto chiara di SUSY: 2 di alta energia ( ) jets, leptoni ( ) Una sparticella puo’ decadere direttamente in gravitino???? Se no .. Perché? Francesco Santanastasio

Scoperta di SUSY nel canale Selezione degli eventi di SUSY : 2 di alta energia  Calorimetro elettromagnetico ( )  Calorimetro adronico ed elettromagnetico jets, leptoni ( )  Tracciatore , Camere a , Calorimetri Conclusioni : Sezioni d’urto di SUSY grande Segnatura sperimentale chiara Scoperta o l’esclusione nel primo anno di presa dati ad LHC invertire .. Sottolineare ctau … sottolineare energia mancante.. Introdurre le slides successive.. Importante x la misura e attività in dipartimento Detector: LHC CMS ECAL

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

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 Lanciare muone .. Effetto campo magnetico Francesco Santanastasio

Il calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL) Un calorimetro elettromagnetico misura l’energia di ECAL: omogeneo costituito da circa 75000 cristalli scintillanti di PbWO4 PbWO4 : scintillatore rapido, r=8.28 g/cm3, X0=0.89cm, RM=2.2cm Bassa resa di luce  Fotodiodi a valanga per amplificare il segnale 26 X0 , omogeneo  Ottima risoluzione in energia Per di alta energia (>10 GeV) c = precisione della calibrazione

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 : 102 Hz Calibrazione “pulita” mese/i 0.5% Guadagnare tempo , tracciatore , precisione minore <-> + fondo Calibrazione con p0 (proposta): Prodotti in abbondanza nelle int. pp Maggiore fondo di QCD e rumore elettronico Non necessità tracking Giorni ?? 1% ?? Francesco Santanastasio

Elevata Statistica  Come analizzare eventi ad elevata frequenza ? Canale di calibrazione dedicato ai p0 Elevata Statistica  Come analizzare eventi ad elevata frequenza ? 102 Hz (Z,W,b,t,H,SUSY) 109 Hz 105 Hz 102 Hz Resto : “fondo” QCD L1 Trigger HLT Stream dedicato alla calibrazione Selezionare eventi ricchi di p0 Rate molto elevata : Formato ridotto per la descrizione dell’evento Pre-selezione dell’output del L1T Metodi Standard di calibrazione Guadagnare tempo sulla descrizione del trigger Proposta : Utilizzare i “candidati e.m. di L1” per selezionare p0 isolati

Ricostruzione dei p0 usando i “candidati e.m. di L1” Un p0 è identificato da 2 depositi di energia elettromagnetici (2 fotoni) vicini nel calorimetro Ricostruire i p0 all’interno di regioni ridotte (20x20 cristalli) dell’ECAL con rilevanti depositi di energia elettromagnetica (“candidati e.m. di L1”) Criteri di selezione Energia Distanza Forma ecc.. S/B = 50% Eventi simulati di QCD fondo combinatorio Depositi di energia nella matrice Segnale – fondo nel plot g + energetico g - energetico Francesco Santanastasio

Descrizione del metodo di calibrazione Bisogna calibrate migliaia di cristalli : Il metodo è basato sulla relazione tra la massa vera e quella ricostruita del p0 Sistema lineare sovradeterminato #equazioni = #eventi ricostruiti di p0 #incognite = 75000 coeff.di calibrazione Ci C1,2,….n 75000 Diversi metodi per risolvere il sistema : Invertendo la matrice dei coefficienti Metodi iterativi Francesco Santanastasio

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 = 104 Hz larghezza del picco = 10% 0.02 p0 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 Rapido su considerando .. Sono necessari : studio approfondito del fondo studio delle sistematiche del metodo Francesco Santanastasio

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 p0 mediante la reazione SPS ECAL HCAL TARGET Verificare l’algoritmo di ricostruzione e calib. sulla base di dati veri Studi ulteriori sulla forma dei depositi di energia Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio 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 conclusioni Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio Backup-Slides Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio 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 hep-ph/981233 v2 (Dec 1998) Eccesso di eventi di SUSY rispetto al fondo dello SM ad alta Francesco Santanastasio

Misura della massa delle s-particelle Studio dettagliato di una catena di decadimento di SUSY (es.) Selezione degli eventi : Limite superiore netto alla distribuzione di massa invariante Combinando simili relazioni è possibile misurare : Massa delle s-particelle Parametri della teoria hep-ph/981233 v2 (Dec 1998) Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio Sistema di Trigger di CMS LHC : 102 Hz : Eventi di fisica “utili” (Z,W,b,t,H,SUSY,ecc..) 109 Hz Il Rimanente è “fondo” (praticamente il 100%) : Eventi di collisione pp elastica (Minimum Bias) Eventi di QCD a basso Scopo : ridurre la rate di eventi da processare e registrare mantenendo alta l’efficienza per gli eventi di fisica “utili” riducendo il puro “fondo” Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio 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 Di grande interesse è il decadimento 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 Francesco Santanastasio

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 f dei depositi di energia) Calibrazione tramite eventi fisici : Metodi Standard : Proposta in fase di studio : Francesco Santanastasio

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 f dei depositi di energia) : 3-4%  2% Calibrazione tramite eventi fisici : Metodi Standard : Calibrazione tramite il decadimento Francesco Santanastasio

La calibrazione tramite il decadimento Confronto con i metodi Standard : 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 Elevata statistica  Analizzare eventi a elevata frequenza Francesco Santanastasio

Algoritmo di ricostruzione dei p0 Un p0 è identificato da due depositi di energia (cluster) vicini nel calorimetro elettromagnetico dovuti ai fotoni del suo decadimento 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… Francesco Santanastasio

Picco di massa invariante del p0 Analisi preliminare : Dataset : eventi simulati di QCD Semplici tagli cinematici Efficienza di ricostruzione : 0.02 p0 per evento Rapporto segnale/fondo : 50% In fase di studio : Criteri per la riduzione del fondo Miglioramento dell’efficienza Francesco Santanastasio

Francesco Santanastasio 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 sommario Francesco Santanastasio