Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 1 Ricerca di extra dimensioni a LHC Alessio Ghezzi Università Milano Bicocca.

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1 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 1 Ricerca di extra dimensioni a LHC Alessio Ghezzi Università Milano Bicocca e INFN Milano

2 IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 2 Sommario Modello ADD per extra dimensione compattificate su largo R Produzione di gravitoni Effetti di gravitoni virtuali Modello di Randall-Sundrum Gravitoni come risonanze Modello con extra dimensioni con R~TeV -1 Bosoni di gauge nelle ED

3 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 3 Large Extra Dimensions Modello ADD: Arkani-Hamed,Dimopoulos e Dvali Gravita’: puo’ propagare in 3+n dimensioni Campi SM: sono confinati in 3 dimensioni Parameteri del modello: numero di extra dimensioni n, scala M D Per R “grande” la scala M D diventa accessible at LHC (n=2: R~1mm M D ~1TeV ) Esistenza di 3+n dimensioni spaziali con n dimensioni compattificate su un toroide di raggio R Misura diretta di deviazioni da F~1/r 2 : R< 200  m I campi che si propagano nelle extra dim.  in 4dim torri di stati KK massivi con  m ~1/R Fenomenologia a LHC: Emissione di gravitoni massivi Deviazioni dal SM per processi di produzione coppie e + e -,  +  -

4 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 4 Limiti attuali al modello ADD Limiti da LEP e da TEVATRON n=2 M D ~1.5 TeV n=3 M D ~1 TeV n=8 M D ~0.5 TeV Limiti da risultati di astrofisica cooling di supernove per emissioni di gravitoni: n=2 M D >30 TeV, n=3 M D >2.1 TeV Fondo di  da G   : n=2 M D >92 TeV, n=3 M D >3.8 TeV Temperatura di stelle di neutroni : n=2 M D >414 TeV, n=3 M D >8.7 TeV Ricerca di  +missing E, jet+missing E a LEP and TeVatron “sovra chiusura” dell’universo : n=2 M D >6.6 TeV S. Mele EPJ C 33 919-923 (2004)

5 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 5 Modello ADD : emissione di gravitoni Calcolo delle  basato su una teoria efficace ( < M D ) (Giudice, Rattazzi, Wells hep-ph/9811291) G (k) Gravitone + jet Gravitone +  Il singolo stato KK debolmente accoppiato (~1/M P ) ma molti KK stati permessi (~M P 2 /M D 2 ) Gravitone sfugge al rivelatore  missing E T Segnatura at LHC : jet+missing P T,  +missing P T ~1TeV Z 0 +jet Z 0  W+jet W   W+jet W  e(  ) Fondi principali:

6 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 6 Emissione di gravitoni Necessario analizzare la regione con enorme missing E T (~ TeV) Spettro di massa quasi continuo (  m~1/R) : non vi e’ effetto risonante nella distribuzione Segnatura: eccesso di eventi ad alta missing E T (gravitone) rispetto alle previsioni del SM Calibrazione del fondo jet+Z  con eventi jet+Z  l + l - (l=e,  ) Idealmente eventi mono-jet ma vi e’ un contributo importante da I/FSR Trigger : Missing E T o Jet ad alto P T necessaria buona conoscenza del fondo =4.5 con P T >10 GeV n= 2, 3, 4 jet+Z  10004001400 Vacavant, Hinchliffe ATL-COM-PHYS-2000-005 Campione di riferimento ridotto a ~1/6 del fondo per: BR Z(ll) /BR Z( ) ~1/3 Efficienza di selezione ~1/2

7 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 7 Emissione di gravitoni Criteri di selezione degli eventi Jet centrale (|  |<2.5) ad alto P T Jet secondari di minor energia Missing P T opposto in  al jet principale Veto a leptoni isolati (per jet+W  l) 2501000 L=100 fb - 1 Eventi/20 GeV incertezza sul fondo stimato da Z  ll n M D  M D best 27.5 TeV9.1 TeV 35.9 TeV7.0 TeV 45.3 TeV6.0 TeV N S =eventi di G+jet con >E T cut N B =eventi di fondo con >E T cut Total bgM D 5(TeV) n 2M D 5(TeV) n 3M D 7(TeV) n 2 556.51426.9706.0379.4 Total bgM D 3, n 2M D 4, n 2M D 3, n 3 82.9194.461.849.2 G+  Canale di conferma Accuratezza calib. fondo ~ 25% E T cut = 1TeV ATL-COM-PHYS-2000-005

8 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 8 Graviton virtual exchange Anomalie nello spettro in M inv per coppie di leptoni o fotoni rispetto ai processi del SM. cutoff sulla somma dei contributi degli stati KK : dell’ordine della scala di massa (app. cutoff a M S ) M S = 4TeV Contributo piu’ rilevante per qq  l + l - : interferenza con SM Contributo del canale gg  l + l - 1000 3000 10 fb -1 ATL-PHYS-2001-012

9 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 9 Virtual exchange Conteggio del numero di eventi con m(l + l - )>M min Differente distribuzione in  (  ) Possibilita’ di sfruttare asimmetrie FB per coppie l + l - Ricerca analoga per le coppie di .  pp  Limiti di scoperta per l + l - e  combinati M S = 4TeV nM S 10fb -1 M S 100fb -1 27.0 TeV8.1 TeV 36.3 TeV7.9 TeV 45.7 TeV7.4 TeV 55.4 TeV7.0 TeV Kabachenko, Miagkov, Zenin ATL-PHYS-2001-012 10fb -1 100fb -1

10 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 10 Warped ED: modello Randall-Sundrum (RS) Modello con una sola extra dimensione (y), due brane 4 dimensionali Fattore di contrazione della metrica dipendente dalla posizione nella extra dimensione y = r c  bulk y=0 y Fenomenologia (1): Gravitoni massivi ( ) che decadono in coppie di leptoni o fotoni risonanze a grandi M inv per coppie di leptoni o fotoni Parametri del modello: k~M Pl,  ~  EW  kr c ~12 M G = m 1 e c = k/M Pl Campo scalare nel bulk  radione Azuelos et al. SN-ATLAS-2002-019 Gennai et al. CMS CR 2004/039

11 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 11 Modello RS : stato attuale Limiti da misure sperimentali: Ricerca di risonanze nella produzione di di-leptoni o di di-  a TeVatron : Limiti dalla teoria: c<0.1 (consistenza)  <10 TeV (evitare gerarchia) c 0.10.050.01 M G (GeV) 700525200 Regione esclusa c MGMG

12 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 12 Modello RS: risonanze a LHC Leptoni di alto p T risoluzione migliore per e rispetto a . Ricerca di risonanze (G) nella distribuzione di M inv di coppie di leptoni Risultati analoghi per ATLAS (ATLAS-PHYS-2000-029) m (1) =1,5-1,75-2,0 TeV Contributo del canale G  meno rilevante (in particolare per “piccoli” valori di m (1) per il contributo della risoluzione alla larghezza del picco Collard, Lemaire CMS NOTE 2004/024 Fondo da produzione in DY molto limitato per alti valori di M inv Identificazione e : isolato in cono R=0.5, h/e <0,1, matching con traccia Massa (GeV) NSNS NBNB c=0.01 110023640 175018.64.6 c=0.1 20008568.8 350023.42.3 L=100fb -1, finestra 3  attorno al picco

13 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 13 Potenziale di scoperta per gravitoni RS Limiti teorici Con L=100fb -1 si puo’ coprire l’intera regione di interesse (fino a c=0.01) studiando il canale G  ee CMS NOTE 2004/024

14 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 14 Modello RS: discriminazione da altri modelli Studio dei branching ratio in altri canali, es G  : universalita’ dell’accoppiamento. Necessario studiare |  |>1.5 Distribuzione angolare dei leptoni determinazione dello spin della risonanza Sequenza dei picchi di risonanza G (k) non equispaziati ma… solo il picco del primo stato risulta determinabile in modo significativo cos(  *) |  |<1.5|  |<2.4 Collard, Lemaire, Traczyk, Wrochna CMS NOTE 2002/050

15 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 15 Extra dimensioni con R~TeV -1 Si assume che solo i fermioni siano confinati nella brane, mentre i campi di gauge possono propagarsi in extradimesioni compattificate su una scala dell’ordine del TeV -1. Stati KK dei campi di gauge con accoppiamenti analoghi a quelli dello SM e masse date da: Limite sperimentale : M c > 4 TeV Parametri del modello : scala M c M c : scala fondamentale Fenomenologia: risonanze “equispaziate” nello spettro di M(l + l - ) deviazioni dallo spettro atteso per il SM lontano dalla risonanza per interferenza torre KK con SM (~1/M c 2 ) T. Rizzo PRD 61 (2000) 055005 M c =5 TeV M c =6 TeV M c =4 TeV Modelli con una sola extradimensione e fermioni localizzati in un unico punto (modello M1) o in due punti opposti (modello M2)

16 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 16 Extra dimensioni con R~TeV -1 Dal Modello Standard: circa 500 eventi per m(e + e - ) > 1 TeV con L =100 fb -1 Osservazione di risonanze nello spettro di M inv m(e + e - ) M c = 4 TeV Secondo livello KK (M~8TeV) non osservabile Regione a sinistra del picco rilevante per discriminare i modelli m(l + l - ) e+e-e+e-  M c = 4 TeV Leptoni di alto p T : risoluzione peggiore per  che per e  Azuelos, Polesello SN-ATLAS-2003-023 M1 M2 SM

17 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 17 Extra dimensioni con R~TeV -1 Limite su M c dallo studio della regione del picco: sensibilita’ a 5  per M c <5,8 TeV (L=100 fb -1 ) Sfruttare le deviazioni dallo SM nella regione inferiore alla risonanza per alti valori di M c Sottrazione del fondo lontano dalla risonanza: necessario conoscenza del fondo meglio del 10-15% Analisi con likelihood tenendo conto della distribuzione in  * Analisi della regione non risonante: M c limite circa 8 TeV per L = 100 fb -1 circa 10.5 TeV per L = 300 fb -1 M c =5TeV SM Sensibilita’ statistica: non include effetti sistematici, quali la scala di E dei leptoni SN-ATLAS-2003-023 elettroni e+  100 fb -1 200 fb -1 300 fb -1 9.5 TeV11 TeV13.5 TeV

18 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 18 Conclusioni Ampie possibilita’ di indagine di extra dimensioni a LHC Modello ADD Studio dello spettro di missing E T e della produzione di di-l, di-  risultati competitivi con misure astrofisica per n>2 Modello Randall Sundrum : Identificazione di stati KK di G tramite studio di di-l e di-  Possibilita’ di esplorare a LHC l’intera regione dei parametri (m 1,c) permessa Studio dello spin della risonanza (Studio di scalari nel bulk) Modelli con extra dimensioni di scala TeV -1 Identificare stati KK dei bosoni di gauge come risonanze in di-l e di-  Informazioni dallo studio dello spettro al di sotto della risonanza

19 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 19

20 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 20 Discriminazione R~TeV -1 da altri modelli Secondo livello KK non osservabile Analisi dello spettro m(l + l - ) nelle code permette di discriminare i modelli M2 M1 G* Z’ m(e + e - ) Differenze nelle distribuzioni in  * e Asimmetrie forward-backward asimmetri a m(e + e - ) M2 M1 G*Z’ Risonanza a 4 TeV L=100 fb -1 (per Z (1) ) SN-ATLAS-2003-023

21 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 21 Altre segnature di ED con R~TeV -1 modifica dell’equazione di rinormalizzazione: Evoluzione anomala delle costanti di accoppiamento in particolare  S M z <M c =1/R<M gut Effetti di stati KK per i gluoni: deviazioni dallo SM per di-jet di alto PT Significanza in funzione di M inv minima N= numero di jet con M inv fra M min e M Max C.Balaza,B.Laforge hep-ph/0110217 Contributo importante dalle incertezze su PDF (Ferrag hep-ph/0407303) Balazas et al., Proceedings Les Houches 2003, hep-ph 0402295

22 Università Milano Bicocca e INFN Milano IFAE Catania, 31 Marzo 2005 A. Ghezzi 22 Modello ADD: Separare n e M D M D 6 TeV n 2 M D 5 TeV n 3 missing P T 16006001000 Run di LHC a diverse energie del CM … Pressoche’ indipendente da M D Difficile separare la dipendenza da n e da M D  (10 TeV) /  (14 TeV)