Padova, 22 aprile 2008
Ricerche sperimentali di
materia oscura ai collider
Tommaso Dorigo
INFN-Padova & CMS collaboration
Sommario
• Alcuni concetti di base per la fisica ai colliders
adronici
• Gli elementi fondamentali di una segnatura
sperimentale: jets, leptoni, fotoni, missing Et
• Produzione e decadimento di materia oscura:
i segnali che ci aspettiamo ai colliders
• Alcuni esempi di ricerche passate al Tevatron
• Esempi di ricerche e segnature possibili a LHC
A word of warning
• Se vi aspettavate una panoramica esaustiva dei segnali che la
materia oscura può palesare a LHC, avete sbagliato workshop
• Presenterò invece alcuni casi specifici di ricerche già effettuate al
Tevatron nei casi più accreditati di materia oscura (e.g. neutralini
SUSY), per mostrare in qualche dettaglio le tecniche sperimentali che
si adottano in queste ricerche
• Il potenziale di LHC è enorme, e gli studi finora intrapresi per stabilire
tecniche standard di scoperta sono i più diversi
 impossibile fare giustizia a tutto mantenendo un livello di
comprensibilità sufficiente
 presenterò “solo” un pot-pourri di quello che si cercherà di studiare nei
prossimi anni nell’ambito delle teorie supersimmetriche
Il Tevatron e LHC
• La messa in funzione di LHC renderà presto
obsoleti gli esperimenti al Tevatron, grazie
all’energia e luminosità superiori
2 km
Un lascito importante
• Senza nulla togliere a LEP e agli altri
esperimenti passati, gli esperimenti CDF e D0
al Tevatron consegnano a LHC un quadro
eccezionalmente preciso del modello standard
e in particolare della fisica adronica. Di
particolare importanza per questo seminario:
– Osservazione del quark top, e misura della sua
massa allo 0.8%  calibrazione per ATLAS e
CMS!
– Una comprensione eccellente della QCD 
strumento fondamentale per le simulazioni dei
processi di fondo a LHC!
– Misura della massa del bosone W con
precisione dello 0.05% assieme a Mt danno
un input importante per costringere i modelli di
nuova fisica e verificare lo SM
– Limiti a SUSY e ad altri modelli da ricerche
dirette
• In più, le ricerche del bosone di Higgs
sono ancora in corso…
I colliders adronici
• In collisioni di altissima energia protone-protone (LHC, 10-14 TeV) o
protone-antiprotone (Tevatron, 2 TeV), i colliders adronici producono
sostanzialmente urti inelastici fra quarks o gluoni
• Il protone, se sondato a grande energia, è infatti “risolto” nei suoi
costituenti fondamentali
• Quarks e gluoni nel protone ad ogni dato istante si dividono
l’energia totale con una probabilità governata dalle funzioni di
struttura (PDF, parton distribution functions)
Le PDF decidono
quanta parte dei 14
TeV disponibili ai
protoni è usata
per la “collisione dura”
Impulso trasverso
Ogni collisione tra adroni tipicamente
consiste nell’urto frontale fra un
costituente di ciascun proiettile.
Il quark (o gluone) che ha generato la collisione
risente di una grande accelerazione in direzione
ortogonale a quella dei fasci.
E’ pertanto la componente trasversa ai fasci del
moto del partone emesso la quantità che meglio
caratterizza la violenza della collisione.
Il protone, privato di una carica di colore, si disgrega
in un fiotto di adroni, senza ricevere grande modifica
al suo impulso iniziale.
Frammentazione
•
•
•
•
La QCD, che governa l’interazione forte responsabile della stabilità degli
adroni, ha un potenziale che cresce linearmente con la distanza
Due quarks colorati che si allontanano dagli adroni che li contenevano con alta
energia estendono due stringhe di colore
Il potenziale cresce finché non diventa energeticamente favorevole la
creazione dal vuoto di una coppia quark-antiquark la stringa si rompe
Il processo continua fino alla creazione di un fiotto di adroni leggeri, “on mass
shell”, e “colorless”
Il prodotto finale: jets adronici
•
La fase di frammentazione, ove agisce l’interazione forte
fra quarks e gluoni, si esaurisce in tempi brevissimi
•
Gli adroni prodotti conservano approssimativamente la
direzione iniziale di moto del partone, e collettivamente
l’impulso del partone originario
•
Decadimenti elettromagnetici e deboli creano infine un
fiotto di particelle “stabili”, che sono quelle che abbiamo
la possibilità di identificare nell’apparato: sostanzialmente
p,n,p+, p-,K+, K-, K0L, g, e, m
Come si misurano i jets ?
•
I calorimetri sono sensibili sia a particelle cariche che neutre, tranne quelle che interagiscono
solo debolmente con la materia – come tutti i candidati di energia oscura che un collider
potrebbe produrre!
•
•
Nei calorimetri e.m. si misura il numero totale di secondari prodotti in una cascata
elettromagnetica  E è proporzionale a N
Nei calorimetri adronici i processi sono più complessi ma il concetto è lo stesso
•
•
La corretta misura dell’energia dei jet permette di ricostruire il decadimento di particelle massive
La misura dell’energia è anche fondamentale per ricostruire bene l’energia mancante (v.oltre)
Gli altri segnali prodotti
•
A parte i jets adronici, che sono di gran lunga il prodotto più
frequente delle collisioni adroniche, si distinguono per la loro
importanza i segnali di
–
–
–
elettroni e muoni isolati di alto impulso
fotoni energetici
energia trasversa mancante
I jets adronici possono poi contenere indicazioni utili a classificarli
come il prodotto di
•
•
b-quarks
leptoni tau
Ciascuno di questi segnali ha un’importanza particolare per il tipo
di processi fisici che si vogliono isolare
Elettroni e muoni
•
I leptoni non risentono dell’interazione forte: a un collider
adronico essi sono l’esclusivo risultato di processi
elettrodeboli
–
–

–
•
Sono processi rari, e di grande importanza per lo studio
della fisica elettrodebole e per la ricerca di nuova fisica!
–
–
–
–
•
Wen, mn
Zee, mm
gee,mm (Drell-Yan)
decadimento debole
di quarks pesanti (t,b,c)
ricerca di quark massivi (e.g. tWb)
decadimento di bosoni di Higgs (HWW, ZZ)
Nuovi bosoni (Z’ee)
Supersimmetria! ( lo vedremo più avanti)
L’identificazione di elettroni e muoni di alto impulso è
garantita dalla combinazione di diversi dispositivi:
tracker, calorimetro, camere a muoni
Fotoni
• Anche i fotoni di alta energia sono
molto rari e segnalano la produzione di
fenomeni di alto interesse
• Un esempio su tutti, il decadimento
Hgg, che potrebbe dimostrarsi
fondamentale per scoprire il bosone di
Higgs se è leggero
• La segnatura sperimentale si basa
sull’assenza di una traccia carica in
corrispondenza di una cascata
elettromagnetica nel calorimetro
Energia trasversa mancante
• L’energia trasversa mancante è un segnale importantissimo per la fisica
elettrodebole e la ricerca di nuova fisica
• I prodotti di una collisione devono avere un impulso totale nullo nel piano
trasverso ai fasci
• Calcolandone la somma vettoriale, si trova
MEt = [(SEx)2 + (SEy)2]0.5
e si misura anche l’angolo nel piano trasverso:
F = atan2(-SEy, , -SEx)
Un valore di MEt significativamente diverso da
zero indica la produzione di uno o più particelle
non interagenti che hanno “sottratto” l’impulso
trasverso in eccesso
La sua importanza è cruciale per le ricerche di
materia oscura: particelle neutre non interagenti
Missing Et in maggior dettaglio
•
La conoscenza precisa della risoluzione
sperimentale sull’energia mancante è cruciale per
le ricerche di materia oscura
•
L’assenza di neutrini o altre particelle non
interagenti con il detector implica che MEt=0
•
In realtà MEt>0 perché la risoluzione su MEx e
MEy è tipicamente di una decina di GeV  la
somma in quadratura dei due è positiva
•
La risoluzione sull’energia mancante “scala” con
l’errore sull’energia trasversa totale con cui essa è
calcolata
–
–
–
–
L’energia letta dal calorimetro è proporzionale al
numero di tracce N che una cascata ha generato
N segue la statistica di Poisson  l’errore su E è
proporzionale a N1/2
 La risoluzione sulla MEt dipende dalla radice
quadrata dell’energia trasversa totale misurata nei
calorimetri
Ecco perché è fondamentale calibrare bene la scala
energetica nei calorimetri
 Massa del top dal Tevatron!
Risoluzione
su MEt
Et totale (GeV)
Ancora sulla missing Et
Una precisa simulazione del rivelatore permette di comprendere
molto bene la precisione e la risoluzione delle misure sperimentali
A partire da una descrizione precisa degli
elementi sensibili e passivi del detector si
ottengono distribuzioni delle quantità
misurate in ottimo accordo con i dati
osservati
Le “code non gaussiane” vanno però tenute
sotto stretto controllo!
 si possono studiare in eventi “puliti”, e.g.
Z+jets
Rimane fondamentale la verifica
sperimentale in campioni di controllo simili a
quelli ove si fanno le misure!
Ne vedremo alcuni esempi più avanti.
Una visione d’insieme
• Gli oggetti fisici ora descritti sono
prodotti con frequenza
estremamente diversa ai colliders
adronici, in virtù della diversità
delle costanti di accoppiamento
forte, e.m. e debole
• I segnali di materia oscura che
esamineremo sono ordini di
grandezza più deboli dei processi
principali
 Bisogna sapere bene cosa si
sta cercando!
Produzione e decadimento di
materia oscura
•
Come è stato discusso da A.Masiero, vi sono a livello teorico svariati candidati di
materia oscura producibili a un collider adronico sufficientemente energetico
•
Anche rimanendo nell’ambito di SUSY, il candidato dipende dal valore specifico
assunto dai molti parametri della teoria: gluino, sneutrino, gravitino, neutralino…
•
Tuttavia, alcune caratteristiche importanti per il loro studio ai colliders accomunano
tutti i possibili candidati:
–
–
–
–
–
sono elettricamente neutri
sono massivi
non hanno interazioni e.m. e forti con la materia
sono stabili
risentono dell’interazione debole
 WIMPS: weak interacting massive particles
•
Questi fatti sono sufficienti a mettere a punto una
ricerca “signature-based”:
energia trasversa mancante!
Un esempio concreto
Ecco come ATLAS
potrebbe “vedere”
la produzione di
particelle
supersimmetriche
con decadimento in
neutralini e jets
Due parole su SUSY
La supersimmetria, inventata nei primi anni ’70, è una teoria –o
meglio un framework- che prevede l’esistenza di
“superpartners” per ciascuna delle particelle del MS
La prima versione supersimmetrica del MS è dovuta a Georgi e
Dimopoulos (1981). SUSY ha due caratteristiche che la
rendono molto interessante:
– L’evoluzione delle tre costanti di accoppiamento
fondamentali del MS, governata da equazioni del
gruppo di rinormalizzazione, dipende dalle particelle
esistenti nella teoria. Con le particelle
supersimmetriche, le tre costanti diventano eguali
alla stessa scala energetica (che si suppone essere
quella di grande unificazione)
– La massa del bosone di Higgs riceve grandi correzioni
quantistiche divergenti che vengono rinormalizzate. MH è
“non naturale” e non stabile rispetto a queste correzioni.
L’aggiunta delle particelle supersimmetriche “stabilizza” il
campo di Higgs.
R-parity
Oltre alla simmetria tra materia ordinaria e supersimmetrica, serve però
introdurre un numero quantico perfettamente conservato: la R-parità
R|f> = (-1)2J+3B+L|f> (J spin, B,L numero barionico e leptonico)
Senza R-parità, la mediazione di particelle supersimmetriche ha conseguenze
catastrofiche, ad es.:
• il protone può decadere in una frazione di secondo
• l’universalità degli accoppiamenti deboli di corrente carica è violata
Il bonus della R-parità è che la particella neutra supersimmetrica più
leggera (LSP) è perfettamente stabile!
Altra implicazione importante per i colliders: le particelle supersimmetriche sono
prodotte a coppie.
Possibili segnature
L’energia trasversa mancante è una segnatura di materia oscura valida anche per tutte le
teorie supersimmetriche: una coppia di WIMPS è sempre presente in ogni evento che coinvolga
particelle supersimmetriche…
Altrettanto importante è però ricercare stati finali specifici di modelli particolari, e.g. alcuni punti dello
spazio dei parametri di SUSY
•
•
•
–
Esempio: decadimenti a cascata
di squarks e gluini
–
Questi decadimenti provocano una serie di conseguenze sperimentali studiabili a LHC con
buona precisione
E’ però necessario definire meglio l’ambito di queste ricerche: dei >>100 parametri delle teorie
supersimmetriche si può ridursi al MSSM, il modello minimale (che ne ha comunque 124), che
assume valori “ragionevoli” per la maggior parte delle incognite, evitando problemi di CP violation e
correnti deboli neutre con cambiamento di sapore.
Ulteriori semplificazioni e approssimazioni (SUSY rotta da interazioni gravitazionali, masse eguali
alla scala di Planck) permettono di arrivare a 5 parametri fondamentali.
Nel seguito lo “spazio dei parametri” di SUSY verrà descritto da M(0) e M(1/2), la massa degli scalari
e del gaugino alla scala di grande unificazione.
Due misure al Tevatron
• Prima di discutere della fenomenologia di SUSY e similia
a LHC, vediamo due casi particolari di ricerche già
effettuate al Tevatron, per illustrare i principali strumenti
usati
– chargino-neutralino pair production
– produzione di squarks e gluini
• In entrambi i casi, si effettua semplicemente un
esperimento di “conteggio”, in cui si ricerca un eccesso
numerico di eventi con caratteristiche simili a quelle
attese per il segnale
Un’analisi mirata:
leptoni+energia mancante
•
•
CDF ha ricercato segnature di supersimmetria facendo leva sulla supposta presenza
di leptoni carichi nel decadimento di particelle supersimmetriche (chargino e
neutralino) prodotte in coppia
La presenza di due o più elettroni o muoni di alto impulso “ripulisce” i dati da
interazioni di QCD: rimangono processi elettrodeboli
–
–
–
–
•
produzione di Z
Drell-Yan
produzione di coppie di bosoni W, o WZ
decadimento di coppie top-antitop
Il segnale che si ricerca ha diverse caratteristiche cinematiche che ci permettono di
selezionare sottocampioni contaminati e non dal segnale atteso:
–
–
–
–
grande missing Et  segnale; piccola missing Et  fondo
massa di due leptoni ~ MZ  fondo
N=2 leptoni  fondo; 3 o più leptoni  segnale
jets energetici  fondo; no jets  segnale
Interpretazione dei dati
•
Prima di ricercare un
segnale di SUSY nella
coda della distribuzione di
missing Et bisogna
dimostrare che si
comprende bene il “bulk”
dei dati
•
Si eseguono innumerevoli
confronti fra le
caratteristiche
cinematiche degli eventi
sperimentali e quelle
previste dalle simulazioni
dei processi concorrenti
del MS, nei campioni “di
controllo” ove il
segnale non può
contribuire in maniera
apprezzabile
In eventi con due leptoni dello stesso tipo
(ee, mm) la massa invariante permette di
verificare la normalizzazione dei processi di
produzione di bosoni Z, oltre a dimostrare
che si comprende la forma dello spettro
Missing Et in eventi con due leptoni
• Gli eventi con due “soli” leptoni sono studiati per
verificare che l’energia trasversa mancante sia ben
compresa e modellata nelle simulazioni dei processi di
fondo del modello standard
La selezione è ancora abbastanza
lasca da lasciar passare una
quantità consistente di eventi
WW, WZ, e coppie top-antitop.
Questo permette di verificare che
questi processi non causeranno
“sorprese” nelle selezioni più
stringenti, ove si cerca il segnale
Poi si “stringe” la selezione…
• Richiedendo un terzo leptone si riduce il campione in
maniera drammatica  ulteriore verifica della
comprensione dei dati, fatta in campioni di controllo che
non sono contaminati da SUSY
La massa invariante più grande
fra le tre coppie possibili di leptoni
carichi viene studiata in eventi
con energia trasversa mancante
inferiore a 10 GeV
Si continua ad osservare un segnale
di produzione di bosone Z con
la normalizzazione giusta:
questo conferma le stime anche
nella “coda” delle distribuzioni
…Se ne studia la cinematica…
• Selezionando eventi con due leptoni bene identificati con massa fra
76 e 116 GeV, e una terza traccia isolata, si verifica che le
caratteristiche della terza traccia sono compatibili con le attese
L’impulso trasverso della traccia
isolata è confrontato con la somma dei
vari processi noti che contribuiscono al
campione. Il contributo dominante
è quello di produzione di Z, gli altri
sono quasi irrilevanti
Anche l’energia trasversa mancante mostra
di essere ben descritta dai processi di fondo,
e manca un eccesso ad alti valori  se ne
deduce che un eccesso nel campione “signal-rich”
potrebbe davvero essere un segnale!
…E si apre il pacco!
•
•
“Opening the box” è una catch-phrase sempre più di moda in
ricerche di nuova fisica, ove si nasconde a se stessi la zona di
segnale finché non si è certi di aver compreso tutti i dettagli e la
normalizzazione dei processi di fondo
Le simulazioni permettono di prevedere il numero di eventi con
–
3 leptoni ben identificati, nessun candidato Z, e missing Et maggiore
di 20 GeV: 0.88+-0.14 eventi  se ne osserva 1
 NO SUSY, previsioni ok!
–
In questo caso ci si aspettava da SUSY 4.5 eventi: un segnale
significativo
2 leptoni, una traccia isolata, nessun candidato Z, e missing Et
maggiore di 20 GeV: 5.5+-1.1 eventi  se ne osservano 6
 NO SUSY, previsioni ok!
Con questa selezione il segnale atteso era di 6.9 eventi
Gli eventi osservati hanno caratteristiche cinematiche ragionevoli
 no SUSY, tutto regolare!
3 leptoni ben identificati:
1 solo candidato
Missing Et
Massa 2 leptoni
Massa 2 leptoni
2 leptoni
e una
traccia
isolata:
6 candidati
Missing Et
Zero segnale! E come si pubblica?
•
•
Un’analisi come quella vista costa in media due anni di lavoro a tre-quattro
persone. La dura legge “publish or perish” li condanna ?
No: non trovare SUSY è un’informazione scientifica importante!
– Se si esclude un modello, i fisici teorici devono rimettersi a lavorare
– L’esclusione anche di una sola parte dello spazio dei parametri
(ultracentodimensionale) ha importanti ricadute sulle altre ricerche e sulla loro
comprensione e ottimizzazione
•Si procede con il sillogismo: Mi
aspettavo 0.88 eventi, ne ho visto 1.
Quell’ 1 evento potrebbe essere il
risultato di una fluttuazione negativa di
segnale (in media N eventi) + fondo
(0.88), ma è improbabile che N sia
superiore a 4-5 eventi…
si mette un limite superiore a N
si ricava un limite superiore a s da
s*=N/Le (L luminosità, e efficienza)
 si escludono i valori dei parametri di
SUSY che prevedono s>s*.
Un altro esempio: squarks e gluini
• Squarks e gluini –particelle supersimmetriche omologhe a quarks e
gluoni- non sono materia oscura: essi sono massivi, carichi (gli
squarks) e interagiscono fortemente, ma la loro messa in
evidenza a un collider adronico dipende in modo cruciale dalla
presenza di DM!
• Si usa infatti la segnatura di energia trasversa mancante, prodotta
dai neutralini che rimangono alla fine della catena di decadimento
delle particelle supersimmetriche, assieme a jets adronici prodotti
dai quarks.
• I leptoni carichi potrebbero essere troppo poco energetici  una
ricerca inclusiva di jets e MEt permette di esaminare lo spazio dei
parametri di SUSY in modo più ampio.
Selezione dei candidati
Una recente analisi di CDF considera eventi con 2, 3, 4 jets e energia
trasversa mancante
- La topologia a 2 jets caratterizza gli eventi in cui gli squarks sono
significativamente più leggeri dei gluini
- La topologia a molti jets sorge invece quando i gluini sono più leggeri degli
squarks
•
L’analisi seleziona eventi con
missing Et > 70 GeV – un valore
molto superiore a quelli tipici dovuti
a errori di misura
(70 >> SEt0.5 ~ 10-20 GeV0.5)
La missing Et va prima di tutto
“ripulita” per eliminare l’effetto di
depositi calorimetrici “out-of-time” e
altri problemi strumentali facili da
trattare
Missing Et fiduciale
• In presenza di jets adronici l’energia mancante può
essere dovuta alla cattiva misura dell’energia dei jets
• Una fluttuazione nella misura di un jet porta a MEt
“puntante” verso il jet o in direzione opposta
• L’analisi richiede che il segnale di missing Et sia
disallineato nel piano trasverso a ciascuno dei jets:
DF(MEt-j1,j2,j3)>0.7 radianti, DF(MEt-j4)>0.3 radianti.
Regioni di controllo
• Anche in questo caso si possono definire dei
campioni di controllo, ove il segnale previsto sia
irrilevante. In tal modo si verificano le
simulazioni e la loro normalizzazione
• In eventi ove la missing Et punta nella direzione
di un jet il contributo dominante è la produzione
di jets da QCD
• La richiesta di una traccia isolata oltre ai jets
seleziona eventi in cui la missing Et è dovuta a
un muone
• La richiesta che un jet abbia frazione
elettromagnetica >0.9 seleziona eventi con
elettroni, dovuti a processi elettrodeboli che
possono così essere verificati in forma e
normalizzazione
The box
• Il valore minimo dell’energia di jets e
energia mancante è ottimizzato per
diversi punti dello spazio dei
parametri (Mq, Mg)
• In tutti i casi si osserva ottimo
accordo fra previsioni e dati
sperimentali nelle distribuzioni di
energia mancante
4 jets
3 jets
• Si estraggono limiti alla sezione
d’urto del segnale  si escludono
parti dello spazio dei parametri
2 jets
Lo spazio dei parametri SUSY
• La statistica raccolta
da CDF nel Run II
permette di estendere
significativamente il
limite nello spazio dei
parametri MsquarkMgluino
Da Mq~-Mg~ a M0-M1/2
• Il limite ora visto si
può illustrare nel
piano di due dei
parametri “di base”
di MSUGRA,
scegliendo un
valore per
tan(beta), A0, e
sgn(m)
direzione di
aumento
della massa
degli squarks
450
• Si vede così più
chiaramente che lo
spazio dei
parametri è lungi
dall’essere coperto
300
150
600
direzione
di aumento
della massa
del gluino
Ricerche a LHC: generalità
•
In generale, a LHC le ricerche di materia oscura
seguono la stessa ricetta già descritta:
–
–
•
code nella distribuzione di energia trasversa mancante
eventi con molti leptoni, energia mancante, jets
La maggiore energia nel c.m., unita all’aspettativa
teorica che la massa delle particelle supersimmetriche
sia vicina a MW, fa sì che ci si aspetta di poter studiare le
caratteristiche cinematiche del segnale in grande
dettaglio
– misura dell’end-point nello spettro di massa di
coppie di leptoni
 misure dei parametri del modello –per alcuni
modelli!
Non è detto che si riesca a decifrare massa e caratteristiche della DM in modo preciso, dato
il gran numero di gradi di libertà di SUSY
 La fenomenologia è estremamente ricca e in molti casi totalmente “confusing”
 In molti degli scenari possibili servirà un linear collider
elettrone-positrone
Il goal finale di queste ricerche è comunque di identificare un candidato di materia
oscura che sia verificato da ricerche dirette in astrofisica
Misure di End-point
In decadimenti a cascata di squarks
e gluini, identificati dalla presenza di
leptoni e energia mancante (dal
neutralino), la massa invariante di
coppie di leptoni è sensibile alla
massa di c02 in una buona parte
dello spazio dei parametri:
Si tratta di un segnale assolutamente inequivoco
che potrà essere ottenuto già entro il primo anno
di presa dati da CMS e ATLAS
•m0 = 100 GeV
•m1/2 = 300 GeV
•A0 = -300 GeV
•tan(b) = 6
•sgn(m) = +1
Misure di massa
Una volta identificati gli eventi con decadimenti a cascata, si possono misurare le
masse delle particelle coinvolte
Sparticle Expected precision (100 fb-1)
La precisione dipende dal modello
~
Con certe assunzioni si possono estrarre valori
qL
 3%
di massa che danno indicazioni non conclusive
~
c02
 6%
ma importanti
~
lR
 9%
~
c01
 12%
Un’altra occhiata al piano M0-M1/2
•
•
•
•
•
•
•
Per dare un’idea della complessità
delle indagini model-dependent, si
considerano diversi punti del piano
M0-M1/2
I constraints di WMAP nell’ambito
del CMSSM riducono fortemente lo
spazio delle fasi permesso
Per il neutralino più leggero sono
possibili masse generalmente
inferiori a 500-600 GeV
Questo implica che LHC non potrà
mancare SUSY se questa è la
teoria corretta
Nel piano vi sono regioni diverse
ove le segnature sperimentali sono
grosso modo simili
“funnel”, “coannihilation”, “focus
point”, “bulk”
Si tratta di semplificazioni importanti
per le ricerche sperimentali, ma offtopic per questo talk.
J.Ellis et al., hep-ph/0303043
FOCUS
POINT
Regione favorita
da WMAP
Zona permessa
da misure di g-2
COANN.
BULK
Zona proibita in MSUGRA
Alcuni segnali miscellanei
• Nella regione di “coannichilazione” la
differenza di massa fra sleptone e
neutralino è piccola, e la ricerca è
difficile
• Si cercano strutture negli spettri di
massa delle coppie di leptoni  due
“edges” distinte
• I decadimenti con i leptoni tau
possono essere favoriti da tan(beta)
 difficoltà a ricostruire bene la
massa invariante
• In generale è un punto difficile per
LHC
Regione di “punto focale”
• Quando M0 è grande gli sfermioni sono pesanti le segnature più
chiare sono quelle del decadimenti diretto dei neutralini c02,3 in tre
corpi, ad es. c02  c01 mm
• Si studia anche qui la massa delle coppie di leptoni (che altro ?)
E’ un altro punto difficile, serve alta
statistica per comprendere le
distribuzioni ed estrarne i parametri
La cosa da notare è che LHC potrà
accedere a questi segnali solo con
alta statistica  il programma di fisica
durerà diversi anni!
Proiezioni sul “discovery reach”
• CMS e ATLAS potranno coprire la maggior parte dello spazio dei
parametri di SUSY con un running esteso di LHC
• In questi plot si può osservare la copertura ottenibile da CMS e ATLAS
con il solo canale di ricerca con jets e energia mancante
Attenzione: solo
in alcuni casi sarà
possibile
identificare un
segnale di nuova
fisica di queste
ricerche
“inclusive” con un
particolare
modello
risultati non
direttamente
utilizzabili per
confronti con DM
direct searches
Copertura delle varie ricerche
• Lo stesso plot si
può disegnare
esplicitando la
copertura di
ricerche “signaturebased” diverse
• Risulta evidente
come la missing Et
sia il canale più
promettente
• Similmente
sensibile sarà la
combinazione di
ricerche con 0, 1, 2
leptoni
J.Pinfold, JPG: NPP 31(2005)
E se invece di SUSY… ?
• A dispetto del fatto che la
supersimmetria fornisce un candidato
ideale per la materia oscura, con
massa “prevista” dalla coincidenza di
scala fra sezioni d’urto delle interazioni
deboli e materia mancante
nell’universo, non siamo obbligati a
crederci!
• Il rasoio di Occam in effetti dovrebbe
farci riflettere:
“Entia non sunt multiplicanda praeter
necessitatem”
Se c’è un esempio più eclatante di una teoria
che calpesta questo principio, vorrei
conoscerlo!!
(Chi ha detto “stringhe”???)
Troppe alternative plausibili
•
A parte SUSY, esistono molti altri modelli di fisica oltre il modello standard che
comprendono uno o più candidati di materia oscura
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
UED KK gravitons
RS KK gravitons
sneutrino
gravitino
little higgs
assioni
buchi neri primordiali
champs
neutrini pesanti
neutrini sterili
you name it
?
•
Buona parte di questi stati dà un segnale identificabile a LHC tramite l’analisi
inclusiva dello spettro di energia trasversa mancante. Alcuni modelli si confondono
con SUSY…
•
Le ricerche “signature-based” sono fondamentali in questa situazione per stabilire
l’esistenza di nuova fisica, ma la maggior parte del lavoro comincerà dopo…
Conclusioni
•
•
Candidati di materia oscura sono stati cercati al Tevatron senza successo
LHC ha le “carte in regola” per sciogliere uno dei nodi fondamentali più
affascinanti nella comprensione dell’universo:
– La materia oscura è fatta di particelle elementari ?
 Probabilmente una risposta positiva potrebbe arrivare già in un anno o due di
running
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LHC può escludere che DM sia un neutralino con un po’ più di tempo
Un quadro preciso del modello (SUSY o altro) può venire solo da studi più
approfonditi  extended running, ILC
Le ricerche ai colliders sono fondamentali ma insufficienti: serve una
rivelazione diretta del segnale per connettere causalmente le due ricerche
Ci aspettano anni entusiasmanti !
Avete davanti a voi la possibilità di far parte di questa impresa: Il
gruppo CMS-Padova vi aspetta a braccia aperte con molte
proposte per tesi di laurea e dottorato!
B-tagging e tau-tagging
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La complessità e non calcolabilità dei processi di frammentazione rendono in genere
impossibile determinare il sapore del quark originante un jet, o discriminare jets di quark e
gluone
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Solo con b-quarks si può fare, perché il quark b decade in tempi lunghi (10-12s) e con
caratteristiche ben discriminanti
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produce un vertice secondario spostato qualche mm dal vertice primario
le tracce cariche prodotte dal decadimento di mesoni B hanno massa invariante elevata
I leptoni tau che decadono in adroni (65%) producono invece jets molto collimati e con una o
tre tracce cariche  si possono anch’essi discriminare dai jets generici di quark leggero e
gluone
t jet 2
t jet 1
b jet 1
b jet 2
MC event visualization for bbH(500)->tt->2jet