HSCP a CMS
PD Software meeting 7 ottobre 2008
a.meneguzzo
A.M. 7 oct 2008
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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 c’e’) 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.
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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 l’esclusione al
95% C.L. [ blu,rosso, verde,giallo diversi tipi HSCP]
The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) 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 fb−1 for two of the lowest
cross section samples (300 GeV KK tau
and 800 GeV stop).
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HSCP Outline
Introduzione
Modelli
Trigger and skimming
Misura di Beta
Selezione degli Eventi
Risultati
Conclusione
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HSCP :
Introduzione
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
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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 .
CMS ha svolto un’analisi su HSCP previste da quattro modelli che individuano e
caratterizzano le diverse possibili HSCP
Modelli con particelle di tipo leptonico :
KaluzaKlein tau resonance (m=300 GeV)
stau (m=156 -247 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)
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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
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Topologia degli eventi ricostruiti in CMS
Anche se KK tau e GMSB stau
hanno simile comportamento
leptonico le proprieta’
cinematiche dell’evento sono
abbastanza diverse
ETA
BETA
La distribuzione in Eta e’ piu’
“centrale” per stau
L’energia trasversa mancante
Et e’ quasi zero per il KK
scenario e alta per quello GMSB
.
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Pt
ETmiss
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Topologia degli eventi ricostruiti in CMS
Gluino R_hadron
BETA
Stop
BETA
Gluino e Stop prevedono
masse piu’ alte e quindi a
parita’ di momento velocita’
piu’ bassa
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Stau kk
BETA
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
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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’ l‘HSCP stessa che triggera, il trigger e’ meno
dipendente dalla simulazione (nel GMSB anche SM muons sono presenti nell’evento)
MET HLT path (selezione PDJetMET-jets E mancante )
nei modelli analizzati c’e’ 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
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jetMet PD: o high pt muon(s) o dE/dX tracks & hight pt
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p
p
p
p
p
p
25 ns
Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (1)
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
dell’ordine 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 nell’orologio 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 dall’analisi di segnali di fisica SM.
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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’ tc , i tempi di deriva sono
maggiorati di una quantita’ dt
Pull
distribution
for SM muons
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Beta from dE/dX in the silicon tracker layers
dove K e’ una costante calcolabile dai dati
delle masse ricosctruite a 500 Gev stop
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[m]
Gev
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Misure di beta associate
Standard
model
Background
HSCP
No background
Le due misure di Beta - camere DT e dE/dx- sono correlate per il
segnale e scorrelate per il fondo come ci aspetta .
Uno studio dettagliato sulle code delle distribuzioni puo’ essere
ottenuto con i dati di muoni SM , per esempio con le Z > mu mu
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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 l’esclusione
al 95% C.L.
The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) 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 fb−1 for two of the lowest
cross section samples (300 GeV KK tau
and 800 GeV stop).
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References HSCP :Theory
[1] G.F. Giudice and R. Rattazzi, Phys. Rept. 322 (1999) 419, hepph/9801271.
[2] B.C. Allanach et al., Eur. Phys. J. C25 (2002) 113, hepph/0202233.
[3] F.E. Paige et al., hep-ph/0312045.
[4] B.C. Allanach et al., “The Snowmass Points and Slopes: Benchmarks for SUSY
Searches”, CERN-TH/2002020, hep-ph/0202233.
[5] S. Raby, Phys. Rev. D 56 2852 (1997).
[6] G. Giudice and A. Romanino, Nucl.Phys. B 699, 65 (2004).
[7] K. Cheung and W. Y. Keung, Phys. Rev. D 71, 015015 (2005).
[8] P. Gambino, G.F. Giudice, P. Slavich, Nucl. Phys. B 726 35 (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, 035002 (2001)
[12] T. Appelquist and H. Yee, Phys.Rev. D 67, 055002 (2003)
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Back up slides
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La “fase iniziale”
“Pilot run” (450 + 450 GeV ):
luminosita’ istantanea: L= 1024 – 1027 cm-2s-1, (1  1 bunches)
1028 – 1029 cm-2s-1, (43 43 bunches)
1030 – 1032 cm-2s-1, (156 156 bunches) ??
Dt~106s ??
(~1 “mese”)
Assumiamo:  Ldt  1028106= 1034 =10nb-1
Primo “Physics run” (2008, 7 + 7 TeV ?!):
luminosita’ istantanea: L= 1031 – 1032 cm-2s-1, (75 ns bunch spacing)
1032 – 1033 cm-2s-1, (25 ns “ “)
Dt~107s ??
(1 “anno”)
Assumiamo:  Ldt  1032107= 1039 =1fb-1
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La “fase iniziale”
Pythia 6.2 ,‘default’
min.bias settings
# ev
/ 10 nb-1
~ 2000 m,
pT>10 GeV
( 200 a
ECM=900)
W mn
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Ldt= 12 nb-1
pˆ T  0.
pˆ T  10.
pˆ T  20.
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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 metastable charged states.
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