A.M. 7 oct HSCP a CMS PD Software meeting 7 ottobre 2008 a.meneguzzo

A.M. 7 oct Interesse a Heavy Stable Charged Particle a CMS Vedremo che varie teorie prevedono HSCP. HSCP sono individuate rispetto altre particelle da un basso valore di Beta: misurando Beta si riesce a ottenere con opportune selezioni il segnale (se ce) con fondo nullo a una luminosita integrata relativamente bassa. Quindi se ci sono, sono processi che permettono di vedere nuova fisica nel ~primo anno di funzionamento o ad escluderla.

A.M. 7 oct The left plot shows the integrated luminosity (pb1) needed for 3 events, for the four signal models (gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. The right plot shows the mass distribution with 1 fb1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tau and 800 GeV stop). Risultati finali di simulazione e analisi ( trigger e ricostruzione ) di HSCP in CMS ( CMS_AN note 2007/049) Zero background con la selezione prevista plots della luminosita integrata per avere 3 eventi : i.e. luminosita int. necessaria per la scoperta o lesclusione al 95% C.L. [ blu,rosso, verde,giallo diversi tipi HSCP]

A.M. 7 oct HSCP Outline Introduzione Modelli Trigger and skimming Misura di Beta Selezione degli Eventi Risultati Conclusione

A.M. 7 oct Cosa sono le Heavy Stable Charged Particles? Pesanti m>= 100 GeV Stabili = vita media lunga= ctau > alcuni metri Cariche = elettricamente or coloured (formano adroni) Come si possono rivelare? essendo pesanti sono anche lente si misura il tempo di volo e/o si misura la ionizzazione HSCP : Introduzione

A.M. 7 oct Modelli con particelle di tipo leptonico : KaluzaKlein tau resonance (m=300 GeV) stau (m= GeV) in GMSB ( Gauge Mediated Supersymmetry Breaking ) Produzione del stau procede direttamente via un fotone virtuale o Z oattraverso la produzione di particelle supersimmetriche( principalmente squarks e coppie di gluini) Modelli con adroni: long lived stop in some SUSY scenarios (m=[130,800] GeV) long lived gluino in split SUSY (m=[200,1500] GeV) CMS ha svolto unanalisi su HSCP previste da quattro modelli che individuano e caratterizzano le diverse possibili HSCP Modelli Particelle HSCP sono possibili in Teorie Supersimmetriche (sleptoni o particelle con carica forte che adronizzano formando mesoni, barioni e glueballs), oppure con extra_dimensioni -> KaluzaKlein-parita ; uno o piu nuovi stati esistono e posseggono un nuovo numero quantico globale conservato o quasi conservato. Il piu leggero di questi nuovi stati sarebbe stabile grazie a questo nuovo numero quantico A LHC potrebbero essere prodotte in coppia o potrebbero essere il prodotto finale di decadimento di particelle esotiche piu pesanti.

A.M. 7 oct Eventi generati e loro simulazione in CMS Sono stati prodotti eventi secondo le teorie (Kansas Uni, Louvain) codice sviluppato ad hoc per avere adronizzazionee interazione di gluino/stop nel rivelatore. Barrel

A.M. 7 oct Anche se KK tau e GMSB stau hanno simile comportamento leptonico le proprieta cinematiche dellevento sono abbastanza diverse La distribuzione in Eta e piu centrale per stau Lenergia trasversa mancante Et e quasi zero per il KK scenario e alta per quello GMSB. ETA BETA ETmiss Pt Topologia degli eventi ricostruiti in CMS

A.M. 7 oct Gluino e Stop prevedono masse piu alte e quindi a parita di momento velocita piu bassa Stop BETA Gluino R_hadron BETA Stau kk BETA Topologia degli eventi ricostruiti in CMS

A.M. 7 oct Analisi: le strategie di individuazione del segnale rispetto al fondo sono diverse a seconda delle caratteristiche delle HSCP Ci si aspettano tre segnature leggermente differenti; Leptoniche,massive e cariche (stau, KK-tau) Charge flipping e massive (stop, gluino) Charge flipping,massive ma sempre prodotte da neutre (gluino se prodotte come gluon-gluino ball) Nel secondo e terzo scenario la misura del momento ottenuta dal sistema dei muoni non e attendibile a causa del cambiamento di carica. Nel secondo caso pero il momento puo essere misurato dal tracker. Il terzo e piu complicato. Tutte sono pero massive e quindi hanno Beta minore di 1

A.M. 7 oct Trigger :si sono individuati e studiati due tipi di triggers HLT utili per la ricerca di HSCP. (Il trigger HLT seleziona e smista gli eventi in appositi Primary Datasets per le successive analisi) Muon HLT path (selezione di dati PDMuon) le particelle HSCP (anche gli adroni) arrivano al rivelatore dei muoni e hanno la possibilita di essere ricostruite come muoni nel trigger L1A e in HLT in questo caso e lHSCP stessa che triggera, il trigger e meno dipendente dalla simulazione (nel GMSB anche SM muons sono presenti nellevento) MET HLT path ( selezione PDJetMET-jets E mancante ) nei modelli analizzati ce sempre una MET elevata associata alla produzione di HSCP ma MET e piu dipendente dal modello e dalla sua simulazione Selezione per muoni PD: muoni con Pt > 45 GeV per jetMet PD: o high pt muon(s) o dE/dX tracks & hight pt

A.M. 7 oct pppppp 25 ns In CMS il rivelatore Barrel dei muoni e costituito da camere a Drift. Esse forniscono la posizione e la direzione di ogni traccia ma hanno anche la funzione di orologio. Infatti forniscono con precisione anche il tempo di passaggio della particella. La precisione di questi orologi e migliore del BunchXcrossing (25ns) a livello di decisione di trigger di primo livello L1A e dellordine del ns – con opportuna selezione sulla qualita delle tracce- al momento della ricostruzione. Gli orologi saranno sincronizzati in modo che particelle standard (Beta=1) diano nellorologio di ogni camera tempo=0; particelle con Beta<1 daranno tempi piu lunghi consentendo la misura di Beta.La distribuzione in ETA degli HSCP e centrale quindi il Barrel Mu e il rivelatore maggiormente coinvolto,assieme al tracker, per la rilevazione di HSCP. A Padova ci sono valide competenze per entrambi questi rivelatori Il fondo a HSCP si calcola dallanalisi di segnali di fisica SM. Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (1)

A.M. 7 oct Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (2) Se una particella arriva a una camera e il tempo di arrivo non e quello di una particella con Beta=1 cioe t c, i tempi di deriva sono maggiorati di una quantita t Pull distribution for SM muons

A.M. 7 oct Beta from dE/dX in the silicon tracker layers dove K e una costante calcolabile dai dati delle masse ricosctruite a 500 Gev stop [m] Gev

A.M. 7 oct Uno studio dettagliato sulle code delle distribuzioni puo essere ottenuto con i dati di muoni SM, per esempio con le Z > mu mu Le due misure di Beta - camere DT e dE/dx- sono correlate per il segnale e scorrelate per il fondo come ci aspetta. Misure di beta associate Standard model Background HSCP No background

A.M. 7 oct The left plot shows the integrated luminosity (pb1) needed for 3 events, for the four signal models (gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. The right plot shows the mass distribution with 1 fb1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tau and 800 GeV stop). HSCP risultati finali di simulazione di HSCP in CMS e analisi ( trigger e ricostruzione ) Zero background con la selezione prevista Luminosita per avere 3 eventi che possono essere considerate quelle necessarie per la scoperta o lesclusione al 95% C.L.

A.M. 7 oct References HSCP :Theory [1] G.F. Giudice and R. Rattazzi, Phys. Rept. 322 (1999) 419, hepph/ [2] B.C. Allanach et al., Eur. Phys. J. C25 (2002) 113, hepph/ [3] F.E. Paige et al., hep-ph/ [4] B.C. Allanach et al., The Snowmass Points and Slopes: Benchmarks for SUSY Searches, CERN-TH/ , hep-ph/ [5] S. Raby, Phys. Rev. D (1997). [6] G. Giudice and A. Romanino, Nucl.Phys. B 699, 65 (2004). [7] K. Cheung and W. Y. Keung, Phys. Rev. D 71, (2005). [8] P. Gambino, G.F. Giudice, P. Slavich, Nucl. Phys. B (2005). [9] T. Sjostrand, Comput. Phys. Commun. 82, 74 (1994). [10] M. Byrne, Phys. Lett. B 583, 309 (2004). [11] T. Appelquist, H. C. Cheng and B. A. Dobrescu, Phys.Rev. D 64, (2001) [12] T. Appelquist and H. Yee, Phys.Rev. D 67, (2003)

A.M. 7 oct Back up slides

A.M. 7 oct La fase iniziale Pilot run ( GeV ): luminosita istantanea: L= – cm -2 s -1, (1 1 bunches) – cm -2 s -1, (43 43 bunches) – cm -2 s -1, ( bunches) ?? Assumiamo: Ldt = =10nb -1 t~10 6 s ?? (~1 mese) Primo Physics run (2008, TeV ?!): luminosita istantanea: L= – cm -2 s -1, (75 ns bunch spacing) – cm -2 s -1, (25 ns ) t~10 7 s ?? (1 anno) Assumiamo: Ldt = =1fb -1

A.M. 7 oct La fase iniziale # ev / 10 nb -1 Pythia 6.2,default min.bias settings Ldt= 12 nb -1 ~ 2000, p T >10 GeV ( 200 a E CM =900) W

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A.M. 7 oct In general,electrically charged stable states are incompatible with the dark matter problem, and also colored particles are strongly constrained. For this reason, models that address the dark-matter problem include, in general, a stable uncharged weakly interacting massive particle and may also have, in addition, one or more higher-lying meta- stable charged states.