Eksperyment CMS w oczekiwaniu na wiązkę: plany poszukiwania Nowej Fizyki. Część 2

Transkrypt

1 Eksperyment CMS w oczekiwaniu na wiązkę: plany poszukiwania Nowej Fizyki. Część 2 Małgorzata Kazana, IPJ Seminarium Fizyki Wielkich Energii Warszawa CMS: poszukiwania Nowej Fizyki

2 Eksperyment CMS w oczekiwaniu na wiązkę: plany poszukiwania Nowej Fizyki. Część 2 PLAN: Detektor CMS Oczekiwana Nowa 100/pb-1/fb (10/fb) Supersymetria SUSY a UED Split SUSY Bozon Higgsa (MS,MSSM) 2

3 Inauguracja LHC Oficjalne otwarcie LHC 21.X.2008 Planowane schodzenie LHC do 1.VI.2008 Wstrzykciecie protonów do LHC (900GeV) ~ 15.VI.2008 Run fizyczny (14TeV) możliwy (1/fb = cm-2s-1) 3

4 Detektor CMS Komory mionowe RPC pokryją: η < 1.6 (2.1) Będzie brakować 4tej płaszczyzny komór mionowych w denkach (endcaps) 4

5 CMS zjechał pod ziemię 15 elementów zostało opuszczonych do hali eksperymentalnej w ciągu 15 miesięcy (22.I.08) 5

6 Kiedy CMS będzie gotowy? Zainstalowano detektor śladowy XII.07 Rozpoczęto instalacje rury wiązki Solendoid: rozpoczęto schładzanie; testy z niskim napięciem w IV.08 ECAL: montowane są denka, ostatnie w VII.08 Złożenie CMSu: koniec V.08 DAQ: docelowy system został Detektor i jego oprogramowanie zainstalowany (łacznie z linkami) na pierwszych 800 PC (z 64k PC) gotowe do CRAFT VI.08 (Cosmic 4T) 6

7 Testy detektora Pierwsze dane z testów kosmicznych zostały już zebrane! VI.2006 III.2008 GRUMM Testy sytemu wyzwalania opartego na ECAL,HCAL mion kosmiczny ~ 200GeV 7

8 Fizyka: Pierwsze rezultaty Dla świetlności: 100/pb,1/fb, następnie kilka i 10/fb Zaplanowano ćwiczenia : Lum=1,10/pb (icsa08 maj) Lum=10,100/pb (fcsa08 lipiec) Eksperyment należy przygotować na odkrycie nieoczekiwanych zjawisk: <= System wyzwalania <= Pełna kontrola nad detektorem (synchronizacja, kalibracja przestrzenna) <= Maksymalna zdolność rekontrukcji (np. TOF, de/dx) <= Dokładny pomiar tła z Modelu Standardowego 8

9 Nowa fizyka SUSY: msugra, nmssm, GMSB, AMSB <=> MSSM Higgs.vs. MS Higgs Wyższe Wymiary: RS,ADD,UED Extra Gauge Bosons: Z',W' Quirks makroskopowe struny Fizyka z Hidden Valley Antycząstki Czarne dziury (...) nowe idee MET+dżety n leptons (+dżety+met) Di-leptons Długożyciowe cząstki Niecelujące cząstki Podwójnie naładowane Zmieniające ładunek (...) inne funny sygnatury 9

10 Nowa fizyka Standardowa SUSY: msugra, msugra nmssm, GMSB, AMSB <=> MSSM Higgs.vs. MS Higgs Wyższe Wymiary: RS,ADD,UED Extra Gauge Bosons: Z',W' Quirks makroskopowe struny Fizyka z Hidden Valley Antycząstki Czarne dziury (...) nowe idee MET+dżety n leptons (+dżety+met) Di-leptons Długożyciowe cząstki Niecelujące cząstki Podwójnie naładowane Zmieniające ładunek (...) inne funny sygnatury 10

11 Nowa fizyka Egzotyka SUSY: msugra, nmssm, GMSB, GMSB AMSB <=> MSSM Higgs.vs. MS Higgs Wyższe Wymiary: RS,ADD,UED Extra Gauge Bosons: Z',W' Quirks makroskopowe struny Fizyka z Hidden Valley Antycząstki Czarne dziury (...) nowe idee MET+dżety n leptons (+dżety+met) Di-leptons Długożyciowe cząstki Niecelujące cząstki Podwójnie naładowane Zmieniające ładunek (...) inne funny sygnatury 11

12 SUperSYmetria MSSM: najbardziej oczekiwane rozszerzenie Modelu Standardowego ze zbyt wieloma wolnymi paramterami (>105) prosty scenariusz łamania SUSY: msugra [m0, m 1/2, A0, tan β, sign µ] Masy skalarów i fermionów, trójliniowe stałe sprzężenia oraz paramtery sektora skali GUT Msusy ~ mgluino,squark 12

13 Przestrzeń msugra [m0,m1/2,a0,tanβ,signµ] LM1 [60,250,0,10,+1] LM -low mass σ = 49pb HM - high mass LM1 σsusy ~50pb ~1pb ~1fb 13

14 Przejawy SUSY Produkcja przypadków SUSY w LHC: ZŁOTY KANAŁ Podstawowe cięcia dla SUSY: MET > 200 GeV Jet No ( pt > 30GeV, η < 3 ) 3 1st jet η < 1.7 CMS SYGNATURA: duży MET + multi-dżety + multi-leptons PODSTAWOWE TŁO: QCD, ttbar/w/z-qcd produkcja stowarzyszona z dżetami 14

15 Przejawy SUSY Produkcja przypadków SUSY w LHC: Leptonowe kanały SUSY: n leptons + MET + jets n = 1, 2, 3, 4 n>1 pary o tym samym (SS) lub przeciwnym znaku (OS) SYGNATURA: duży MET + multi-dżety + multi-leptony PODSTAWOWE TŁO: QCD, ttbar/w/z-qcd produkcja stowarzyszona z dżetami 15

16 Szacowanie tła 16

17 Szacowanie tła Symulacje MC dla QCD&W/Z/top+dżetów: Kaskada partonowa (PS) MC [PYTHIA, HERWIG zwykle twardy proces: 2->2 na poziomie LO] ME ME PS Dokładne obliczenia (LO) partonowych elementów macierzowych (ME) dla procesów z emisją dżejtów dobre przybliżenie w obszarze dużych-pt Właściwe powiązanie ME i PS w celu uniknięcia powtórzeń (czasochłonne obliczenia) [ALPGEN,Sherpa] 17

18 SHERPA Porównanie MC z danymi Data flow in CMS Dane CDF: ppbar -> Z + X, S=1.8TeV 18

19 SUSY w CMSie msugra HM1 z gluino o masie ~1.9 TeV Pełny przypadek (pileup) w detektorze Przypadek po rekonstrukcji 19

20 Mion(y) + MET + dżety np: SYGNATURA: jeden mion lub dwa miony (SS) Inkluzywny trigger mionowy (zrozumiały na początku LHC) TŁO: tt+dżety, QCD, Z+dżety, W+dżety, WZ+dżety, ZZ+dżety, WZ+dżety SELEKCJA SYGNAŁU: Izo-kal. mion o pt > 30GeV lub 2 izo-kal. miony o pt > 10GeV 3 dżety (pt > 50GeV ) MET>130 GeV lub MET>200 GeV Optymalizacja cięć przy użyciu GARCON [hep-ph/ ] dla każdego punktu CMS: MET, pt,eta dżetów, koleracje kątowe (jj,metj) 20

21 Mion Mion(y) + MET + dżety 10/fb 21

22 Mion Mion(y) + MET + dżety 10/fb 22

23 Zasięg dla pojedyńczego mionu Limity CMSu dla m1/2 =700 (900) 900 GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb Optymalizacja dla wszystkich świetlności Pełne reco dla 10 pkt. CMS, Szybkie reco => kontury 23

24 Zasięg dla di-mionów Limity CMSu dla m1/2 =500 (700) 700 GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb Optymalizacja dla L=10/fb Pełne reco dla 10 pkt. CMS, Szybkie reco => kontury 24

25 Zasięg dla OS di-leptonów Limity CMSu dla m1/2 =400 (500) 500 GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb LM1: 11.2% A0 =0 tanβ=10 μ>0 SYGNATURA: leptony tego samego rodzaju SFOS with total systematics TŁO: tt, QCD, WW+dżety, Z+dżety, DY->2µ/2τ,Zbb, ttbb, ZZ+dżety, W+dżety SELEKCJA SYGNAŁU: 2 SFOS izolawane leptony o pt > 10GeV oraz R(ee) > 0.2 & R(µµ) > 0.15 MET > 200 GeV krotność dżetów 2 dżety 1szy,2gi (pt > 100, 60 GeV ) 1/fb: NS=853,NT=225(155tt) Analiza progów masowych będzie możliwa: 25

26 Bozon Z + SUSY 10/fb LM4: 97% SYGNATURA: leptony tego samego rodzaju SFOS TŁO: tt, WW+jets, ZZ+jets, Z+jets, ZW+jets SELEKCJA SYGNAŁU: 2 SFOS izolowane leptony: e: pt > 17GeV µ: pt > 7GeV 81 < Mll < 96.5 GeV MET > 230 GeV φ ll <

27 Bozon Z + SUSY Limity CMSu dla m1/2 ~ ( ) GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb LM4: 97% Z off-shell SYGNATURA: leptony tego samego rodzaju SFOS 1fb-1 Z off-shell TŁO: tt, WW+jets, ZZ+jets, Z+jets, ZW+jets Okno na Z: 81 < Mll < 96.5 GeV Z -> ee Z -> µµ 10/fb: NS=1555,NT=197 SUSY SUSY 27

28 Bozon h0 + SUSY Limity CMSu dla m1/2 ~ ( ) GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb SYGNATURA: 2 b-dżety 1/fb: TŁO: tt, W+jets, Z+jets SELEKCJA SYGNAŁU: Tryger JET+MET 2 b-dżety MET > 200 GeV krotność dżetów 4 dżety 1szy,2gi,3ci (pt > 200,150,50 GeV ) Mh= /-6.6 GeV Mhtrue= 116 GeV 28

29 Di-tau + SUSY Limity CMSu dla m1/2 =300 (500) 500 GeV przy 1/fb (10/fb) 10/fb LM2: 96% SYGNATURA: OS tau TŁO: tt, QCD, W, Z SELEKCJA SYGNAŁU: Tryger JET-MET 2 tau R (ττ) < 2 MET > 150 GeV krotność dżetów 2 dżety 1szy,2gi (pt > 150 GeV ) 29

30 Zasięg dla SUSY przy 1/fb 30

31 Zasięg dla SUSY przy 10/fb 31

32 Universal Extra Dimensions UED: bardzo specyficzne rozszerzenie modeli sub[mm] Wszystkie pola Modelu Standardowego widzą wyższe wymiary MS R rozmiar ED Wzbudzenia KK Poziom 0 <=> Model Standardowy 32

33 UED a SUSY Każdej cząstce z MS odpowiada wieża wzbudzeń Kauzy-Kleina: (Spin)KK =(Spin)SM, (Sprzeżenie)KK = (Sprzeżenie)SM, (Masa)KK > (Masa)SM Zakłada się, że parzystość KK jest zachowana Kwarki i gluina KK z 1ego poziomu wzbudzeń mogą być produkowane parami w LHC Najlżejsza cząstka KK (LKP) KK-gamma γ1 jest stabilna (kandydat na CDM) 2gi poziom wzbudzeń może być produkowany pojedyńczo Najprostszy scenariusz: tylko 1ED; cut-off Λ > R-1 mued [ R-1, ΛR, mh] Mγ1 ~ R-1 promień kompaktyfikacji; liczba poziomów KK obecna w efektywnej określonej do skali Λ,; masa Higgsa z MS 33

34 4ℓ - UED D o de mi ca nan y t ch le ai pt on n ic ℓ± ℓ ΛR=20, R-1=500 GeV, mh=120 GeV Interesującja topologia Fenomenologia zbliżona do SUSY ale degeneracja mas cząstek KK => miękkie (<20GeV) leptony mued [ΛR = 20, mh=120 GeV] 1/R = 300, 500, 700, 900 GeV sigma(4μ) = 280,41,9, 2.6 fb 1szy mion 4ty mion SYGNATURA: 4e, 4μ, 2e2μ (2 OSSF pary) TŁO: tt+dżety, ZZ(γ ), Zbb 34

35 Rekonstrukcja leptonów sygnał Elektrony: pte > 7 GeV ; η < 2.5 Miony: ptµ > 5 GeV ; η < 2.4 Izolacja : w detektorze śladowym [ΣΔR<0.3 pttrack(> 0.1GeV)] <3GeV 35

36 Rekonstrukcja leptonów -tło Elektrony: pte > 7 GeV ; η < 2.5 Miony: ptµ > 5 GeV ; η < 2.4 Izolacja : w detektorze śladowym [ΣΔR<0.3 pttrack(> 0.1GeV)] <3GeV 36

37 Selekcja przypadków akceptacja przypadów przez tryger L1+HLT (1lep lub 2lep) akceptacja przypadów na poziomie rekonstukcji przynajmniej 4 leptony przynajmniej 4 leptony przynajmniej 2 OSSF pary leptonowe Zveto: przypadek jest odrzucany jeśli ma przynajmniej jedną parę leptonową o Minv< 5 lub 76 < Minv < 106 GeV/c2 suma PT dżetów > 100 GeV Bveto przypadek jest odrzucany jeśli przynajmniej jeden dżet zostanie oznaczony jako b-dżet 37

38 4ℓ 100/pb 38

39 4ℓ 100/pb 1 przypadek MC statistical uncertainties only Dla nisko-masowych punktów UED pełna sekwencja cięć nie będzie stosowana S/ B=5 39

40 4ℓ - UED w CMSie Scp <=> P(NObs NS+NB) 1/fb 1/fb 100/pb Ograniczona selekcja: 4 iso-lep 100/pb Pełna selekcja dla cięższych punktów UED 2 OSSF Zveto 40

41 Rzut oka na Split SUSY : HDCP SYGNATURA: długożyciowa cząstka (HDCP) zatrzymana w detektorze (przez jonizację, oddziaływania jądrowe) rozpadająca się po godzinie, tygodniu, miesiacu... CEL: uruchomić tryger kalorymetryczny podczas przerw w pracy LHC 41

42 Zatrzymywanie HDCP w detektorze SYGNAŁ: lekkie gluina - 200,300,500 GeV rozpadające się na neutralino - 50,100,200 GeV ECAL Rozpad gluina => dżet w CAL HCAL Częstość zatrzymania HDCP x eff rekonstukcji dżetu Iron Return Yoke 42

43 Rozpady długożyciowych cząstek Offline tryger włączony Toy MC Próg energii dżetu (trygeru) 20 GeV Świetlność 1032 X-section = 1nb Tydzień pracy LHC w cyklu 12h wiązka 12h przerwa Liczba obserwowanych rozpadów HDCP 43

44 Rozpady długożyciowych cząstek 8 pkt. gluino vs neutalino + 3 czasy życia 3,18,100h Liczba obserwowanych rozpadów HDCP => Wystarczy tydzień ze świetl lub 10 tygodni z 1031 <= Należy uwzględnić tło z promieniowania kosmicznego 44

45 Poszukiwania Higgsa z MS 45

46 Poszukiwania Higgsa z MS 3/fb 1/fb 46

47 Podsumowanie cmsinfo.cern.ch/outreach/cmstimes.html CMS intensywnie przygotowuje się do zbierania danych: Detektor zbliża się do fazy gotowy na przyjęcie danych Analizy gotowe na poszukiwanie Nowej Fizyki VI.2008 => opracowywanie metod wyznaczania tła z danych Dane z detektora będą rozsyłane do centrów obliczeniowych w ramach GRIDu (Warszawa zamówiła HSCP) CMS posiada możliwości odkrycia nowych zjawisk 47