Tommaso Lari
Università and INFN Milano
Misura di massa delle sparticelle ad LHC
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 (c01).



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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
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”.
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.
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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Ricerche inclusive


Maggiori dettagli nel talk di
Galanti.
La “Massa efficace”:
Jets + ETmiss + 0 leptons
ATLAS
10 fb-1
Meff =S|pTi| + ETmiss.
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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
ATLAS
10 fb-1
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Potenziale di scoperta
Per M(SUSY) < 1TeV la
scoperta sara’ potenzialmente
molto rapida (limitata dal tempo
necessario a capire i fondi del MS)

T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Ricerche esclusive

Mi concentrero’ sulle tecniche di ricostruzione per alcuni punti
selezionati dello spazio dei parametri mSUGRA:




Punto 5 – ATLAS Physics TDR
Punto 5a - ATL-PHYS-2004-011 Simulazione completa
SPS1a – ATL-PHYS-2004-007
B (G,H) – CMS NOTE 2004-029
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!
(Vedi anche la presentazione di Galanti)

T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Un tipico scenario (mSUGRA)
CMS
ATLAS
ATLAS
Punto
B
SPS1a
5a
M0
100
100
100
M1/2
250
250
300
tan b
10
10
6
M
+
+
+
A0
0
M(u)
537
s (pb)
-100
58
All masses/energies in GeV
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
-300
mSUGRA
B
g  2
b  s
WMAP allowed
m  mc
1
0
1
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).
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Il decadimento d’oro
Il decadimento leptonico del neutralino
e’ il tipico punto di partenza per la
ricostruzione delle masse
p
p
~
q
~
g
q
q
ATLAS
Physics TDR
e+e- + +-
~
c02
~
c01
~
l
l
l
ATLAS 5 fb-1
FULL SIM
30 fb-1
atlfast
Point 5a
Point 5
Precisione ottenibile sull’edge
con 30 fb-1 : 0.5%
Mll (GeV)
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Selezione di eventi SUSY
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+ - + + eCMS Punto B
10 fb-1
ETmiss >50 GeV
SUSY
ttbar
Z+jets
ETmiss >100 GeV
ETmiss >150 GeV
2 b-getti + 2 leptoni SFOS
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
2 b-getti + 2 leptoni SFOS + energia
mancante
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Catania 31 Marzo 2005
Ulteriori combinazioni: qll edge
p
p
~
g
q
~
q
q
~
c02
~
c01
~
l
l
l
ATLAS
SPS1a
100 fb-1
The two lepton are combined with
one of the two hardest jets (the
combination with the smaller
invariant mass)
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Ulteriori combinazioni: ql min
p
p
~
g
q
~
q
q
~
c02
~
c01
~
l
l
l
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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
ql max
p
p
~
g
q
~
q
q
~
c02
~
c01
~
l
l
l
ATLAS
SPS1a
100 fb-1
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
qll (soglia)
p
p
~
g
q
~
q
q
~
c0 2
~
c01
~
l
l
l
ATLAS
SPS1a
100
fb-1 TDR
ATLAS
ll edge
Minimum qll invariant mass, from
the jet-dilepton combination with the
larger invariant mass.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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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).
ATLAS, 100 fb-1
~
c0
~
lR
1
ATLAS
~c0
2
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
~
qL
Sparticle Expected precision (100 fb-1)
~L
q
 3%
~
c02
 6%
l~R
 9%
~
c01
 12%
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
SUSY 2008?
Results with detailed simulation
ATLAS
Point 5a
5 fb-1
ATLAS
Point 5a
5 fb-1
llq
llb
ATLAS
Point 5a
5 fb-1
llq
?
llb
llq threshold
ll edge
llq edge
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(qR) possono
essere ricostruiti.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Risalire la catena di decadimento
Una volta che la massa del c01 e’ conosciuta, e’ possible
ottenere l’impulso del c02 usando
p(c02) = ( 1-m(c01)/m(ll) ) pll
valida per coppie di leptoni con massa invariante vicino
~
all’edge.
ATLAS
SPS1a
Il c02 puo’ essere combinato con getti b
100 fb-1
per ottenere la massa del gluino e dello
sbottom:
~
~
g → bb → bbc02
La combinazione con
~ getti non belli (veto)
da’ la massa degli squark udcs (CMS).
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Gluino e sbottom: ATLAS
M(cb)
Combinazioni corrette.
~
~
m(g) e m(b) correlati.
L’errore
~ dominante viene
dall’impulso del c02 )
ATLAS
SPS1a
100 fb-1
~0
Bad c
2 b combinations (b-jet
is from gluino decay)
M(cbb)
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Massa del gluino (ATLAS)
ATLAS
SPS1a
300 fb-1
Massa del gluino.
ATLAS
SPS1a
Dipendenza dalla massa della LSP.
Quella che e’ realmente misurata e’ la differenza:
m(g)-0.99m(c01) = (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
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Massa dello sbottom
~ 0 bb) and~m(c0 b) strongly correlated : use the difference
m(c
2
2
ATLAS
SPS1a
300 fb-1
ATLAS
SPS1a
300 fb-1
~
Con 300 fb-1 potrebbe essere possibile separare i picchi dei due b
~
~
~
~
m(g)-m(b2) = (70.6 ± 2.6) GeV
m(g)-m(b1) = (103.3 ± 1.8) GeV
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Squarks e sbottom (CMS)
~
m(q) = (536 ± 10) GeV
CMS
Point B
1 fb-1
~
m(b) = (500 ± 7) GeV
CMS
Point B
10 fb-1
~ varia
Anche CMS assume nota m(c01 ), rispetto alla quale m(q)
linearmente (ma il coefficiencte e’ 1.6 mentre ATLAS trova ~1.0).
~ e m(b)
~ – gli errori di cui sopra sono
m(c01) domina l’errore su m(q)
in realta’ sulla differenza delle masse e sono solo statistici.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Risoluzione sulle masse
Solo errori statistici (in GeV) normalizzati a 10 fb-1
ATLAS
SPS1a
M0 = m(c01)
CMS
Punto B
Notare che sono
Due punti diversi!
26
3  1.7DM0
m(q)
m(g)
13  DM0
7  1.6DM0
m(g)-m(b)
5
3
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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Right-handed squark
q~R does not couple to Wino
c~01 is nearly a Bino
c~02 is nearly a Wino
q~R → q ~
c0 1
Il momennto trasverso dei due getti piu’
energetici e’ combinato con il momento
trasverso mancante come segue:
ATLAS
SPS1a
30 fb-1
Il massimo e’ m(q~R)-m(c~ 01)
~0
m(q~ R)-m(c
1) = (424.2 ± 10.9) GeV
~
~
Note: can reconstruct lL → l c01
with same technique
~
~0
m(lL)-m(c
1) = (106.1 ± 1.6) GeV
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
(Alcune) Altre misure
co2   c01 
Diventa dominante ad alti tanb,
sopprimendo il decadimento in
elettroni/muoni.
Si puo’ comunque trovare l’endpoint
con una precisione di alcuni GeV.
ATLAS
SPS1a
30 fb-1
co2  h c01 bb c01
Il picco di massa invariante bb
puo’ essere ricostruito ed usato
per ulteriori combinazioni di masse.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Massa invariante 
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Altri punti dello spazio dei parametri
Limiti piu’ stringenti sull’Higgs e
misure piu’ precise della densita’ di
materia oscura hanno notevolmente
ridotto lo spazio dei parametri
disponibile.
M1/2 (GeV)
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.
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.
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Coannichilation
Focuspoint
Punti studiati
No EWSB solution
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M0 (GeV)
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Spettro di massa
Focuspoint
Coannichilazione
Caratteristica peculiare:
sleptoni vicini in massa ai due
neutralini piu’ leggeri: leptoni
lenti nel decadimento del co2 .
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Squark e sleptoni pesanti ( ~3 TeV).
Higgs pesanti - eccetto h
Gluino leggero (830 GeV), decade in
chargini e neutralini
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Punto di coannichilazione
m
max
+
q~L  c~20 + q
 57GeV ,101GeV 32 % c~20   L, R + 
6%, 3%
~0
c
   ATLAS
 L, R 100
+
1
%
q~L  c~20 + q
32 %
ATLAS
SPS1a
100 fb-1
E’ possibile ricostruire anche
l’edge  e diversi edge
leptone-getti.
Questo punto verra’ studiato
anche con la simulazione
~
~
0
qL  c 2 + q
dettagliata nei prossimi mesi
 xET > 200 GeV
-1
 2 SF/OS leptons Pt1>20 GeV, Pt2>10 GeV (10 fb ), verificando le
 >1 jets with Pt>150 GeV
prestazioni di ricostruzione
=
 OS/OF subtraction
di leptoni lenti.
32 %
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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Incontri di Fisica delle Alte Energie
Focus-point
Decadimento diretto c0n → c01 ll
I due edges danno m(c0n)-m(c01). Altre informazioni potrebbero
essere ottenute dalla forma della distribuzione e dal rapporto (BRs)
tra i diversi decadimenti.
Il picco della massa
0 → ll
efficace e la ricostruzione
0
0
Z
c 2 → c 1 ll
della massa invariante
tb e tt da g  c tb (tt)
permettono di stimare
la massa del gluino.
Z → ll
c03 →0 c01 ll
0
c 3 → c 1 ll
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Anche questo punto verra’
studiato con la simulazione
dettagliata.
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Conclusioni
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.

T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
Catania 31 Marzo 2005
Incontri di Fisica delle Alte Energie
Backup slides
T. Lari
Misure di massa delle sparticelle
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