1 Supersimmetria: attività e prospettive Introduzione sulla supersimmetria e sulla fenomenologia di eventi susy a LHC Ricerche di SUSY: il panorama in.

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1 1 Supersimmetria: attività e prospettive Introduzione sulla supersimmetria e sulla fenomenologia di eventi susy a LHC Ricerche di SUSY: il panorama in ATLAS Strategie di ricerca nei canali piu’ promettenti (getti+EtMiss+n leptoni) Commissioning necessario prima di cominciare a cercare le susy… Tecniche di stima dei fondi Attività Milanesi: Analisi nel canale a due leptoni (n=2) Analisi di stop leggero Il riciclaggio di trasparenze aiuta l’ambiente T. Lari

2 2 Supersimmetry (SUSY) in a nutshell Standard particles Quarks, leptons, neutrinos (spin 1/2) W, Z, gluino (spin-1) Higgs (spin-0) Superpartners Squarks, sleptons, sneutrinos (spin-0) Wino, zino, gluino (spin 1/2) Higgsino (spin ½) At least two Higgs doublets are needed → five Higgs bosons Wino, Zino, Higgsino mix → 4 charged (chargino) and 4 neutral (neutralino) states Supersymmetry: what is? SUSY particles not observed yet → must be heavy → simmetry is broken It is possible to put directly SUSY mass terms in the lagrangian. This gives about 100 free parameters with the minimal field content above (MSSM model) Constrained models (with assumptions on the structure of SUSY breaking) have only a few parameters – but assumptions may be wrong.

3 3 Supersymmetry: why? Supersimmetry can solve several problems of the Standard Model at once Hierarchy problem: Fermions and bosons contribute with opposite sign to the Higgs mass  m H ~ m SUSY [SUSY mass scale] Hierarchy ok if SUSY masses near the Higgs scale (accessible to a TeV-scale collider) True also for other SM extensions adressing hierarchy. The TeV-scale new physics and the Higgs are the main motivations for the Large Hadron Collider Dark Matter Need a conserved quantum number to avoid proton decay: R=+1 for SM particles, R=-1 for SUSY particles. Consequences: SUSY particles are produced in pairs The lightest SUSY particle is stable. If weakly interacting, it’s a good candidate for Dark Matter Unification of forces: Better convergence of interaction strenght as a function of energy

4 4 l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p Assuming R-parity conservation Strongly interacting sparticles (squarks, gluinos) should dominate production (with cross sections in pb range) unless very heavy. Cascade decays to the stable, weakly interacting lightest neutralino follows. Event topology: high p T jets (from squark/gluino decay) – Large E T miss signature (from LSP) – High p T leptons, b-jets,  -jets (depending on model parameters) A typical decay chain: SUSY signatures at an hadron collider

5 5 Baseline selection (to be optimized) Jet multiplicity  4, p T 1st > 100GeV, p T others > 50GeV E T miss > max(100GeV, 0.2xM eff ) (Additional cuts depending on signature) Jet multiplicity Additional signature SUSY scenarioBackgrounds 4 No lepton mSUGRA, AMSB, split SUSY, heavy squark QCD, ttbar, W/Z One lepton (e,  ) mSUGRA, AMSB, split SUSY, heavy squark ttbar, W di-leptonmSUGRA, AMSB, GMSBttbar di-tauGMSB, large tanβttbar, W  GMSBfree ~2light squarkZ Early searches try to cover a broad range of experimental signatures, but they are classified based on the event topology: Large E T miss + Event topologies and baseline selection

6 6 Backgrounds: -Real missing energy from SM processes with hard neutrino (tt, W+jets, Z+jets, bb*, cc*) * n from semileptonic B/D decay -Fake missing energy from detector Jet energy resolution (expecially non-gaussian tails) critical A good understanding of both SM physics and detector (missing energy expecially) critical to claim excess over SM predictions Most promising search strategy: jets + E T miss + n-leptons SUSY search strategies E T miss distribution after baseline selection Jets+E T miss +1 lepton

7 7 Statistical reach with 100 pb -1 is actually already ~1300 GeV, well beyond Tevatron limits (~400 GeV) BUT - only in a few cases SUSY has distinctive kinematical features - main selection tool at both trigger and analysis level is to select event with large missing Et, difficult to muster experimentally More luminosity (for control samples) and/or time may be needed to understand backgrounds Let’s go back to detector commissioning and SM background studies… How much data will we need? Tevatron Reach region 5  discovery reach (stat. errors only) of ATLAS in mSUGRA plane

8 8 Clean tails of raw E T miss in early data from cosmic events, beam halo muons, beam gas interactions, noisy and dead calorimeter cells, badly measured jets (dead material, calorimeter cracks), fake muons, …(all machine and detector garbage collected by E T miss trigger!) Jet Energy scale, MET energy scale, PDFs, …(a 10% uncertainty on JES implies a ~60% uncertainty on how many events pass a given p T jet cut) Measure W,Z, ttbar cross sections -Understand residual tails in E T miss performance and distribution of real E T miss in SM events The roadmap to SUSY ATLAS preliminary Real cosmics data 1 TeV 0.2 events/day Effect of event cleaning on D0 E T miss

9 9 Estimates of background to SUSY A lot of work has been made in the SUSY WG in the last couple of years, to produce data-driven estimates of the background to SUSY searches, which do not rely on MC predictions. I will show you a couple of examples to give you a feeling of how these techniques work. The aim is to estimate the background for each channel with at least two independent techniques and compare the results to get confidence that we really understand the SM background

10 10 1 Measure smearing function MET jets Fluctuating jet 2 Select seed events and smear 3 in events with large E T miss E T reco / E T true, est. 1 Seed events: low E T miss /  E T All QCD Z--> νν SU3 Estimate (QCD) 22 pb -1 Normalize estimate to data E T miss (GeV) ATLAS Preliminary QCD background

11 11 MT signal region control sample normalization factor Z  jets: Select Z(ee/  )+jets, replace leptons with neutrinos, correct for acceptance/efficiency W and tt: select two uncorrelated variables, extrapolate from control (SM only expected) to signal regions 2-lepton mode, tt background: select (from data) top dileptonic events, and redecay many times the reconstructed tops with PYTHIA. >300GeV,prelimin. 10% (stat.) 18% (stat.+sys.) W,Z,tt backgrounds

12 12 Per ovvie ragioni, l’attenzione si è focalizzata molto ultimamente su strategie di ricerca e il controllo dei fondi in ciascun canale. In seguito ad un eventuale scoperta “Observation of an excess of events with multi jet and large missing energy in pp collisions at s = 14 TeV” Occorrerà capire di cosa si tratta e misurare le proprietà delle nuove particelle La presenza di due particelle non interagenti di massa ignota nello stato finale impedisce la ricostruzione di picchi di massa, per cui la strategia classica è di cercare massimi e minimi cinematici in varie combinazioni di massa invariante. Ogni minimo/massimo dà una relazione sulle masse Comunque in questo talk mi concentrerò anch’io sulle analisi di scoperta After discovery….

13 13 Punti di benchmark Nel seguito parlerò (a volte) di SU3, SU4, …. Questi codici identificano ciascuno un punto nello spazio dei parametri, scelti in modo da dare densità residue di neutralini compatibili con l’abbondanza di Materia Oscura. I codici vogliono dire “SUSY1, SUSY2, …” (nessun riferimento a gruppi di simmetria!). PuntoRegione spazio parametri M(q) (GeV) M(g) (GeV)  (pb) SU1Coannihilation7628329.6 SU2Focus Point35638565.2 SU3Bulk63371724.1 SU4Low-mass415413358 ~~

14 14 La nostra scelta sul canale su cui concentrarci è caduta sui due leptoni –Solo alcuni % degli eventi SUSY contengono due leptoni. Il rapporto S/sqrt(B) e’ meno favorevole che in 0 ed 1 leptone. –Tuttavia S/B e’ maggiore, ed il fondo e’ dominato da ttbar (potrebbe essere un canale in cui e’ piu’ facile controllare I fondi con I primi dati) –Tutti gli istituti che si occupavano di SUSY in Italia erano interessati a questo canale ed esistevano forti competenze in Italia su canali con leptoni: si è deciso di collaborare con Lecce, Napoli e Pavia su questo canale in modo da avere un impatto maggiore –La segnatura a due leptoni è anche il punto di partenza per la maggior parte delle tecniche di ricostruzione delle masse e per l’analisi di misura di spin – interessante anche per dopo la scoperta Il canale a getti+missET+due leptoni 5  -discovery potential for 1 fb -1 Require S>10 and S/sqrt(B)>5 Factor of 2 generator-level uncertainty included (hatched)

15 15 In the signal, the two leptons come from the neutralino decay (    →    l + l - or    → l l →    ll) or from two independent decays. In the background, the largest contribution is from ttbar double leptonic Segnale e fondi Events (1 fb -1 ) SUSY SU3159.75 tt81.48 W+jets1.97 Z+jets1.20 WW,WZ,ZZ- QCD- Typically, we select events with 2 opposite sign leptons, and we apply additional cuts on the p T of leading jets and missing energy to separate the signal from SM background ~

16 16 Abbiamo studiato la significanza del segnale in funzione del valore dei tagli su getti ed MET. Questo fornisce dei tagli ottimizzati per punti di benchmark specifici prodotti in full simulation. In realtà non sappiamo come sia fatto il segnale (dipende dai parametri SUSY). Altri gruppi stanno studiando come ottimizzare i tagli usando griglie di punti di benchmark nello spazio dei parametri. Per calcolare la significanza occorre l’errore sistematico sulla nostra conoscenza del fondo. Alcune delle tecniche di stima dei fondi basate sui dati, studiate da altri gruppi, sono applicabili al canale a due leptoni e suggeriscono che un errore del 50% potrebbe essere un’assunzione ragionevole con 1 fb -1 di dati. Questo sarebbe sufficiente per SU3 (massa di squark e gluino ca. 600 GeV) Ottimizzazione tagli

17 17 Trigger Gli eventi di questo canale possono essere selezionati sia dai trigger di elettrone e muone che dal trigger di EtMiss. Il trigger di EtMiss (almeno nella simulazione…) è molto efficiente per cui potrebbe convenire partire dallo stream di getti/EtMisss per fare questa analisi. Bisognera’ comunque vedere come si comportera’ il trigger per i primi dati…. Inoltre vorremo sicuramente avere campioni di controllo con EtMiss < 100 GeV e misurare la sezione d’urto ttbar nel canale doppio leptonico Efficienze di trigger per eventi SUSY che passano i tagli di analisi (che includono due leptoni da 10 GeV ed E T MISS > 100 GeV)

18 18 Flavour subtraction Gli eventi in cui i due leptoni provengono da decadimenti non correlati si cancella facendo la differenza e + e  +     - e +   - e   + Utile per selezionare leptoni dal decadimento del neutralino, sottraendo il fondo di Modello Standard ed il fondo SUSY combinatoriale Interessante anche per una ricerca inclusiva, in quanto le incertezze sistematiche sul fondo di MS si cancellano nella sottrazione. SFOF SUSY SU3134.0341.18 tt15.1226.46 W+jets0.261.00 Z+jets0.460.57 WW,WZ,ZZ-- QCD-- Numero di eventi di stesso sapore (SF) e sapore opposto (OF) per 1 fb -1, dopo i tagli SF-OF = -12.2 ± 6.6 (MS) 80.7 ± 14.8 (MS+SUSY)

19 19 Invariant mass 0.35 fb-1 1 fb-1

20 20 La selezione di elettroni e muoni isolati e la rimozione dell’overlap coi getti è stato oggetto di un lungo dibattito nel gruppo SUSY C’ è stata abbastanza presto la decisione di usare tagli comuni, ma –La discussione per decidere quali dovessero essere le selezioni comuni è stata molto lunga –Circa due mesi fa, sono uscite le guidelines di ATLAS che ci hanno costretto a ridiscutere la selezione di muoni (passando da Moore a Staco) e elettroni (I criteri di isolamento) su cui ci eravamo messi d’accordo –I gruppi SUSY usano tool di analisi diversi senza codice in comune tra loro, il che rende il confronto dei risultati un operazione abbastanza faticosa In questo contesto, Milano ha dato un contributo importante alla definizione dell’isolamento degli elettroni, mentre Lecce si occupava della parte relativa ai muoni Studi di performance

21 21 Studi di performance (esempi) Calorimeter isolation No isolationTrack isolation Efficiency (SU3, %) 71.573.570.8 Efficiency (ttbar, %) 71.373.671.7 Fake rate (SU3) 2.0 10 -3 4.2 10 -3 1.7 10 -3 Fake rate (ttbar) 3.9 10 -3 5.7 10 -3 2.8 10 -3 Effetto di diverse opzioni per l’isolamento degli elettroni

22 22 Un codice in CVS, mantenuto da noi e Lecce, si occupa di leggere gli AOD, applicare tagli di particle identification ed overlap removal preliminari, e salvare le informazioni di interesse in un ntupla flat (ca. 3 kB/evento) Il grosso dell’analisi, inclusi i tagli finali di particle identification, viene effettuata sull’ntupla da una macro di ROOT. Una data versione di ntuple CSC per tutti gli eventi che usiamo (ca. 2 M) occupa circa 5 GB e puo’ essere analizzata in un paio d’ore. La produzione di ntuple nuove, adesso che abbiamo tutti gli script pronti, richiede comunque tipicamente 24 ore se non ci sono problemi con la farm. Molti altri gruppi SUSY usano ntuple di SUSYview. Queste sono più grosse (ca. 20 kB/evento), tuttavia meno flessibili (molti tagli di particle Id non possono essere rifatti sulle ntuple) e richiedono apparentemente alcune settimane per essere ricreate a partire da gli AOD (?) L’approccio che stiamo usando ha anche degli svantaggi, legati al fatto che non usiamo codice comune (mantenuto da ATLAS o dal gruppo SUSY). –Mantenere il codice (ad esempio, adattarlo ad una nuova release) richiede molto lavoro –Confrontare I risultati con quelli di altri gruppi è un operazione lunga e penosa Technicalities

23 23 Due leptoni – attivita’ correnti Le attività presenti sono focalizzate su completare il lavoro per le note CSC (SUSY5: Inclusive searches e SUSY6: exclusive measurements) Studi di efficienza e fake rates relativi alla selezione di elettroni isolati (conclusi) Ottimizzazione dei tagli per l’analisi inclusiva: occorre includere i fattori NLO per segnale e fondi e aggiornare la stima degli errori sistematici dalle analisi della nota 1. Ottimizzazione dei tagli per l’analisi esclusiva: in questo caso l’ottimizzazione viene fatta con il rapporto (SF-OF)/  SF+OF ed il combinatorio SUSY diventa fondo Plot e fit delle distribuzioni di massa invariante con le selezioni ottimizzate Oltre al lavoro per scrivere la nota, raccogliere contributi e organizzare phone, essendo io tra l’altro tra gli editori - Della nota SUSY6 nel suo complesso - Della sezione su object selection e studi di performance delle note SUSY5 e SUSY6 - Della sezione sui due leptoni delle note SUSY5 e SUSY6 Gli altri gruppi coinvolti nell’analisi del canale a due leptoni sono il CERN, Belgrado, Winsconsin, e Texas oltre ai gruppi che lavorano all’ottimizzazione dei tagli con scan nello spazio dei parametri e quelli che lavorano alle tecniche di stima del fondo (analisi rilevanti per i due leptoni sono quelle di Tokyo, MPI, Stockholm, BNL, Sheffield)

24 24 Nel giro ci circa un mese l’attività per le note CSC dovrebbe essere conclusa (eccetto quella legata al processo di referaggio…) A quel punto bisognerà attrezzarsi per il dopo –Occorrerà riscrivere il nostro codice di analisi per funzionare con le ultime release. Secondo me la direzione in cui andare è sostiuire le nostre ntuple flat con DPD/AOD prodotti facendo massimo uso di tool comuni, e migrare il nostro codice di analisi in ROOT in modo da leggere i DPD/AOD di gruppo. Da discutere insieme con Lecce, Napoli, Pavia cercando di mantenere e migliorare la collaborazione che abbiamo avuto per le analisi CSC. –I dati dell’FDR li vedo come un ottima occasione per migrare il codice di analisi al nuovo formato, e anche per capire cosa fare col primo pb -1 di dati (stimare il rate di eventi di fondo con opportune distribuzioni di controllo… mi piacerebbe entrare nel giro delle tecniche di stima dei fondi dai dati per questo canale). Due leptoni – prospettive

25 25 Questa analisi è stata originariamente sviluppata da me e Giacomo nell’ambito di Les Houches 2005. E’ diventata poi l’argomento della tesi di Massimiliano. I limiti sulla massa del top scalare sono molto piu’ deboli di quelli su gli altri quark. Alcuni modelli (non mSUGRA) propongono uno stop leggero (100-160 GeV) legandolo alla bariogenesi Il nostro studio si concentra sulla produzione diretta di coppie di stop, supponendo che il decadimento in chargino bottom sia aperto: Stop leggero t t   b b   q q

26 26 Questi eventi sono abbastanza simili a quelli ttbar: –Sezione d’urto paragonabile (~ 400 pb) –A parte i neutralini (invisibili) stesso stato finale –La differenza di massa tra stop e neutralino implica che gli impulsi trasversi di getti, leptoni, e l’energia mancante siano minori che in eventi ttbar –Le masse invarianti non tornano con la massa del W e top. Tuttavia, a causa delle tre particelle invisibili nello stato finale non ci sono picchi di massa invariante che si possono ricostruire –Il punto iniziale e quanto bene conosciamo il fondo ttbar…. t t   b b   q q

27 27 Stop leggero: selezione eventi I tagli di base sono simili a quelli delle analisi ttbar: 4 jets con pt > 25 GeV per selezionare i getti per le combinazioni di massa invariante, evitando di pigliare quelli da ISR e FSR 2 getti taggati come b per ridurre il combinatorio EtMiss > 20 GeV per sopprimere il fondo QCD, difficile da controllare Un elettrone di pt>25 GeV o un muone di pt>15 GeV per triggerare l’evento Veto sulla massa invariante m(jj) != m(W) Dopo di che si costruiscono le distribuzioni di massa invariante M(jjb), M(lb) che presentano un endpoint cinematico – se uno riesce a sottrarre il fondo…. La significanza statistica del segnale è buona… ma conosciamo abbastanza bene la forma delle distribuzioni di fondo? GeV S/B ≈ 0.2 @ 70 GeV

28 28 Per stimare la distribuzione del fondo sul lato adronico (massa invariante jjb) procediamo in questo modo: 1) Selezioniamo un campione di controllo (quasi solo top) con tagli stringenti sulla gamba leptonica [M(lb,xEt) = M(top)] 2) Normalizziamo la distribuzione di M(jjb) del campione di controllo a quella misurata ad alte masse invarianti (dove non ci aspettiamo segnale) e la usiamo per stimare il fondo In modo simile si possono fare selezioni sul lato adronico dell’evento [M(jjb) = M(top)] per stimare la forma della distribuzione di M(lb) per il fondo ttbar. Funziona abbastanza bene con PHYTIA (ATL-PHYS-CONF-2006-001) - meno bene quando il fondo è generato con MC@NLO. Stop leggero: stima del fondo

29 29 Rosso: fondo vero (da MC) Nero: stima del fondo (campione di controllo riscalato) Rosso: segnale vero (da MC) Nero: stima del segnale (distribuzione osservata con stima del fondo sottratta)

30 30 Stop leggero: risultati in full simulation La statistica in full simulation è più limitata, ma ci ha comunque permesso di controllare Le efficienze di trigger Le efficienze di selezione di segnale e fondo e la forma delle distribuzioni Rosso: segnale vero (da MC) Nero: stima del segnale ( distribuzione osservata con stima del fondo sottratta)

31 31 Stop leggero: stato e prospettive Beh, intanto Massimiliano si laurea a febbraio…. Questa è comunque un’analisi che vorremmo portare avanti, avendola sviluppata e offrendo buone potenzialità. Quest’anno sar à gi à abbastanza impegnativo trovare il top nei nostri dati, ma per il 2009 potremmo avere la luinosit à integrata e la comprensione di eventi ttbar necessaria per portare avanti una ricerca di top leggero A parte capire eventi ttbar in generale, la cosa più critica sembra essere quella di riuscire a valutare le sistematiche della nostra tecnica di sottrazione del fondo senza far uso della verit à MC (altrimenti siamo al punto di partenza…) Da notare che per le caratteristiche dell’analisi questa verr à probabilmente considerata un’analisi del gruppo del top piutosto che di supersimmetria (l’analisi equivalente di D0 la trovate nella pagina dei risultati del top…)

32 32 La caratterizzazione della regione di focus point, lo studio delle misure che vi si potrebbero effettuare ad alta luminosità e dei limiti sullo spazio dei parametri che si potrebbero mettere sono documentati in un articolo di che rappresenta due/tre anni di lavoro T. Lari, S. Montesano, U. De Sanctis, C. Troncon, Perspectives for the detection and measurement of Supersymmetry in the Focus Point region of mSUGRA models with the ATLAS detector at LHC, Eur. Phys. J. C52 (2007) 743. Questo tipo di studi non è in priorità per il prossimo futuro, ma questa esperienza e i buoni contatti con teorici che abbiamo stabilito insieme con Giacomo sono qualcosa che tornera’ importante se troviamo qualcosa ad LHC Altre attivita’ SUSY

33 33 Backup slides

34 34 M T (GeV) control regionsignal region ttbar (→l l )+jets ttbar (→l qq)+jets W+jets All backgrounds SUSY signal (SU3) ATLAS Preliminary 1. Define control sample with low transverse 2. Estimate the E T miss /M eff shapes of background processes using control sample 3. Determine the normalization of backgrounds with low E T miss regions of control and signal samples. Can be used for both W and top background in 0-lepton, 1-lepton and 2-lepton channels (results shown here for 1-lepton) Trasverse mass method MT Missing ET or Meff signal region control sample extrapolate effective mass (@1fb -1 ) M eff (GeV) #BG (M eff >800GeV): 24.8±1.6 (real) 22.0±0.9 (estimated) Events/100GeV/1fb -1 ATLAS Preliminary

35 35 An other variable which has small correlation with MET is leading jet is not included in order to avoid correlation with MET use MET significance rather than MET to reduce correlation MET/0.49sqrt(etsum) also works for OS di-lepton mode one lepton mode page6 HT2 method

36 36 Limiti del Tevatron sullo stop Assumendo BR(t →     c) = 1