Misura di massa delle sparticelle ad LHC Tommaso Lari Università and INFN Milano.

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1 Misura di massa delle sparticelle ad LHC Tommaso Lari Università and INFN Milano

2 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Supersimmetria a LHC Tuttora il modello di “Fisica oltre il Modello Standard” piu’ promettente e studiato. Scenario tipico: produzione di s-particelle colorate (squarks e gluini) che decadono nella s-particella piu leggera (  0 1 ). La massa di tali particelle dovrebbe essere minore di ca. 1 TeV per mantenere una delle principali motivazioni della teoria (stabilizzare la scala elettrodebole senza fine-tuning). La particella SUSY piu leggera dovrebbe essere stabile e debolmente interagente per spiegare la materia oscura Tipica segnatura: getti, energia mancante, leptoni.

3 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Cronologia SUSY a LHC Fase 1 (Ricerche inclusive): Osservare un eccesso di eventi con getti + energia mancante + leptoni, convincersi che sono dovuti a “nuova fisica”. Fase 1 (Ricerche inclusive): Osservare un eccesso di eventi con getti + energia mancante + leptoni, convincersi che sono dovuti a “nuova fisica”. Attualmente: Studiare il potenziale di scoperta SUSY/√SM delle analisi con uno scan dello spazio dei parametri (talk Galanti) Attualmente: Studiare il potenziale di scoperta SUSY/√SM delle analisi con uno scan dello spazio dei parametri (talk Galanti) Fase 2 (Spettroscopia SUSY): Ricostruire i decadimenti e le masse delle s-particelle per determinare il meccanismo di rottura di supersimmetria ed i parametri della teoria. Fase 2 (Spettroscopia SUSY): Ricostruire i decadimenti e le masse delle s-particelle per determinare il meccanismo di rottura di supersimmetria ed i parametri della teoria. Attualmente: Su un punto nelo spazio dei parametri, sviluppare analisi per ricostruire le masse. Le analisi sono (dovrebbero essere) utili in una vasta regione dello spazio dei parametri, e non essere specifiche del modello particolare. Attualmente: Su un punto nelo spazio dei parametri, sviluppare analisi per ricostruire le masse. Le analisi sono (dovrebbero essere) utili in una vasta regione dello spazio dei parametri, e non essere specifiche del modello particolare.

4 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Ricerche inclusive Maggiori dettagli nel talk di Galanti. Maggiori dettagli nel talk di Galanti. La “Massa efficace”: La “Massa efficace”: e’ utile per discriminare SM e SUSY e ha un picco fortemente correlato (almeno in mSUGRA) con la massa delle s-particelle primarie prodotte nella collissione pp. Jets + E T miss + 0 leptons ATLAS 10 fb -1 M eff  p T i | + E T miss. ATLAS 10 fb -1

5 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Potenziale di scoperta Per M(SUSY) < 1TeV la Per M(SUSY) < 1TeV la scoperta sara’ potenzialmente molto rapida (limitata dal tempo necessario a capire i fondi del MS)

6 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Ricerche esclusive Mi concentrero’ sulle tecniche di ricostruzione per alcuni punti selezionati dello spazio dei parametri mSUGRA: Mi concentrero’ sulle tecniche di ricostruzione per alcuni punti selezionati dello spazio dei parametri mSUGRA: Punto 5 – ATLAS Physics TDR Punto 5 – ATLAS Physics TDR Punto 5a - ATL-PHYS-2004-011 Simulazione completa Punto 5a - ATL-PHYS-2004-011 Simulazione completa SPS1a – ATL-PHYS-2004-007 SPS1a – ATL-PHYS-2004-007 B (G,H) – CMS NOTE 2004-029 B (G,H) – CMS NOTE 2004-029 Le stesse tecniche sono applicabili per molte altre (ma non tutte) Le stesse tecniche sono applicabili per molte altre (ma non tutte) scelte dei parametri. Non pretendero’ di descrivere tutte le possibili analisi per tutti i possibili punti/modelli studiati! Non pretendero’ di descrivere tutte le possibili analisi per tutti i possibili punti/modelli studiati! (Vedi anche la presentazione di Galanti) (Vedi anche la presentazione di Galanti)

7 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Un tipico scenario (mSUGRA) PuntoBSPS1a5a M0M0M0M0100100100 M 1/2 250250300 tan  10106 +++ A0A0A0A00-100-300 M(u)537  (pb) 58 Questi punti sono scelti nella regione dello spazio dei parametri che da’ una densita’ ragionevole (non troppo alta) di materia oscura e a scale SUSY basse (naturalezza, alta sezione d’urto a LHC). WMAP allowed ATLAS CMS B All masses/energies in GeV mSUGRA

8 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Il decadimento d’oro Il decadimento leptonico del neutralino e’ il tipico punto di partenza per la e’ il tipico punto di partenza per la ricostruzione delle masse l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p 30 fb -1 atlfast ATLAS Physics TDR Point 5 M ll (GeV) ATLAS 5 fb -1 FULL SIM Point 5a Precisione ottenibile sull’edge con 30 fb -1 : 0.5% e + e - +  +  -

9 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Selezione di eventi SUSY SUSY ttbar Z+jets 2 b-getti + 2 leptoni SFOS 2 b-getti + 2 leptoni SFOS + energia mancante CMS Punto B 10 fb -1 E T miss >150 GeV E T miss >100 GeV E T miss >50 GeV Si puo’ far fuori il MS con tagli su getti ed energia mancante. Il fondo MS+SUSY residuo si puo’ sottrarre con le coppie e +  -  + e -

10 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Ulteriori combinazioni: qll edge l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p ATLAS SPS1a 100 fb -1 The two lepton are combined with one of the two hardest jets (the combination with the smaller invariant mass)

11 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Ulteriori combinazioni: ql min l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p ATLAS SPS1a 100 fb -1 When only one qll combination is Below the edge (the ambiguity on the right jet) the two ql combinations (with lower and larger invariant mass) give two further edges.

12 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie ql max l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p ATLAS SPS1a 100 fb -1

13 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie qll (soglia) ll edge ATLAS TDR l q q l g ~ q ~ l ~  ~  ~ p p ATLAS SPS1a 100 fb -1 Minimum qll invariant mass, from the jet-dilepton combination with the larger invariant mass.

14 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Masse Avendo 5 relazioni per quattro masse e’ possibile risolvere le equazioni (forti correlazioni tra I valori delle masse). le equazioni (forti correlazioni tra I valori delle masse). Sparticle Expected precision (100 fb -1 ) q L  3%  0 2  6% l R  9%  0 1  12% ~ ~ ~ ~   lRlR qLqL ~ ~ ~ ~ ATLAS ATLAS, 100 fb -1

15 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie SUSY 2008? Results with detailed simulation ATLAS Point 5a 5 fb -1 ATLAS Point 5a 5 fb -1 ATLAS Point 5a 5 fb -1 ll edge llq edge llq threshold ? Si possono ottenere risultati significativi anche con pochi fb -1 La simulazione dettagliata da’ generalmente i risultati attesi dagli studi in simulazione veloce Tre relazioni su quattro masse. Anche l’edge  e m(q R ) possono essere ricostruiti. llb llq llb

16 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Risalire la catena di decadimento Una volta che la massa del    e’ conosciuta, e’ possible ottenere l’impulso del    ottenere l’impulso del    usando p( p(     = ( 1-m(     m(ll) ) p ll val valida per coppie di leptoni con massa invariante vicino all’edge. Il    puo’ essere combinato con getti b per ottenere la massa del gluino e dello sbottom: g → bb → bb    La combinazione con getti non belli (veto) da’ la massa degli squark udcs (CMS). ~ ~ ~ ~ ATLAS SPS1a 100 fb -1

17 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Gluino e sbottom: ATLAS Combinazioni corrette. m(g) e m(b) correlati. L’errore dominante viene dall’impulso del    ) Bad    b combinations (b-jet is from gluino decay) ~ ~ ~ ~ M(  b) M(  bb) ATLAS SPS1a 100 fb -1

18 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Massa del gluino (ATLAS) Massa del gluino. ATLAS SPS1a 300 fb -1 ATLAS SPS1a Dipendenza dalla massa della LSP. m(g)-0.99m (     = (500.0 ± 6.4) GeV with 300 fb -1 Error is statistical plus (dominant) 1% uncertainty on jet energy scale Central value 10 GeV lower than nominal because b-jet energy underestimated Quella che e’ realmente misurata e’ la differenza:

19 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Massa dello sbottom m(    bb) and m(    b) strongly correlated : use the difference Con 300 fb -1 potrebbe essere possibile separare i picchi dei due b ~~ ~ m(g)-m (b   = (103.3 ± 1.8) GeV m(g)-m (b   = (70.6 ± 2.6) GeV ~ ~ ~ ~ ATLAS SPS1a 300 fb -1 ATLAS SPS1a 300 fb -1

20 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Squarks e sbottom (CMS) CMS Point B 1 fb -1 CMS Point B 10 fb -1 m( q  = (536 ± 10) GeV m( b  = (500 ± 7) GeV ~ ~ Anche CMS assume nota m(    ), rispetto alla quale m(q) varia linearmente (ma il coefficiencte e’ 1.6 mentre ATLAS trova ~1.0). m(    ) domina l’errore su m(q) e m(b) – gli errori di cui sopra sono in realta’ sulla differenza delle masse e sono solo statistici. ~ ~ ~

21 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Risoluzione sulle masse Solo errori statistici (in GeV) normalizzati a 10 fb -1 ATLASSPS1aCMS Punto B M 0 = m(     26 m(q) 3  1.7  M 0 m(g) 13   M 0 7  1.6   m(g)-m(b)53 L’errore sulla massa del neutralino e’ il contributo dominante all’incertezza sulle altre masse (il linear collider aiuterebbe…). Ad alta statistica l’errore sulla scala di energia dei getti (1%) diventa dominante sull’errore statistico. Notare che sono Due punti diversi!

22 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Right-handed squark q R does not couple to Wino    is nearly a Bino    is nearly a Wino Note: can reconstruct l L → l    with same technique q R → q    Il massimo e’ m(q R )-m (     m(q R )-m (     = (424.2 ± 10.9) GeV Il momennto trasverso dei due getti piu’ energetici e’ combinato con il momento trasverso mancante come segue: m(l L )-m (     = (106.1 ± 1.6) GeV ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ATLAS SPS1a 30 fb -1

23 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie (Alcune) Altre misure        Diventa dominante ad alti tan  sopprimendo il decadimento in elettroni/muoni. Si puo’ comunque trovare l’endpoint con una precisione di alcuni GeV.     h     bb    Il picco di massa invariante bb puo’ essere ricostruito ed usato per ulteriori combinazioni di masse. Massa invariante  ATLAS SPS1a 30 fb -1

24 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Altri punti dello spazio dei parametri M 0 (GeV) M 1/2 (GeV) No EWSB solution Focuspoint Large scalar mass: heavy squarks and sleptons. Relatively low gaugino mass. Low , large Higgsino/Bino mixing  low density of relic neutralinos, compatible with WMAP limits. Limiti piu’ stringenti sull’Higgs e misure piu’ precise della densita’ di materia oscura hanno notevolmente ridotto lo spazio dei parametri disponibile. Di recente alcuni punti meno facili sono stati studiati da ATLAS nelle code ad alte scale di massa della regione mSUGRA compatibile con la densita’ di Materia Oscura. Coannichilation Punti studiati

25 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Spettro di massa Squark e sleptoni pesanti ( ~3 TeV). Higgs pesanti - eccetto h Gluino leggero (830 GeV), decade in chargini e neutralini chargini e neutralini Focuspoint Coannichilazione Caratteristica peculiare: sleptoni vicini in massa ai due neutralini piu’ leggeri: leptoni lenti nel decadimento del   .

26 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Punto di coannichilazione ATLAS  xE T > 200 GeV  2 SF/OS leptons Pt 1 >20 GeV, Pt 2 >10 GeV  >1 jets with Pt>150 GeV  OS/OF subtraction  xE T > 200 GeV  2 SF/OS leptons Pt 1 >20 GeV, Pt 2 >10 GeV  >1 jets with Pt>150 GeV  OS/OF subtraction = ATLAS SPS1a 100 fb -1 E’ possibile ricostruire anche l’edge  e diversi edge leptone-getti. Questo punto verra’ studiato anche con la simulazione dettagliata nei prossimi mesi (10 fb -1 ), verificando le prestazioni di ricostruzione di leptoni lenti.

27 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Focus-point    →    ll Decadimento diretto   n →    ll I due edges danno m(   n )-m(     Altre informazioni potrebbero essere ottenute dalla forma della distribuzione e dal rapporto (BRs) tra i diversi decadimenti. Anche questo punto verra’ studiato con la simulazione dettagliata.    →  ll    →    ll    →    ll   →  ll Il picco della massa efficace e la ricostruzione della massa invariante tb e tt da g   tb (tt) permettono di stimare la massa del gluino.

28 Catania 31 Marzo 2005 T. Lari Misure di massa delle sparticelle Incontri di Fisica delle Alte Energie Conclusioni Per punti favorevoli dello spazio dei parametri, LHC sara’ in grado Per punti favorevoli dello spazio dei parametri, LHC sara’ in grado di ricostruire gran parte dello spettro SUSY con precisioni dell’ordine di alcuni GeV. Diverse (combinazioni di) masse potrebbero essere ottenute gia’ nel primo anno. La maggior parte degli studi fino ad ora sono stati fatti con la simulazione veloce. L’enfasi si sta spostando sulla simuazione dettagliata, lo studio degli effetti sistematici, la stima dei fondi a partire dai dati, la migrazione delle analisi nello stesso framework usato per la ricostruzione….. Nuove regioni dello spazio dei parametri, che rispettano I nuovi limiti sulla densita’ di materia oscura, stanno venendo studiati.

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