Ricerca di particelle
supersimmetriche con l’apparato
CMS al Large Hadron Collider
Massimiliano Chiorboli
Sommario
Necessità di andare oltre il Modello Standard
Supersimmetria: introduzione teorica
Ricerche passate
Supersimmetria e cosmologia
Supersimmetria e g-2 del muone
Ricerche future: il Large Hadron Collider e CMS
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Modello Standard
• Simmetria SU(3)C  SU(2)L  U(1)Y,
rotta spontaneamente
• Z e W massivi
• 3 famiglie di quark e leptoni
(neutrini solo left-handed)
• solo interazioni rinormalizzabili
(gauge + yukawa)
• bosone di Higgs
Ma non e’ una Teoria del Tutto !
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Problema gerarchico

m H2  O  2

  100 GeV  mH  mH
SM
GUT
 ~ MP 
c
G newton
 1,22 1019 GeV

mH ~ 1015 mH
Regolazione fine:
mHobs  mHbare  mH
~ 100 GeV  mHbare  1015 GeV
Teoria efficace: caso
di bassa energia di
una teoria più estesa
Innaturale
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Soluzioni…


m f ~ O  m f ln
mf
 
Nel caso dei fermioni la simmetria chirale
“protegge” le particelle dalla divergenza:
Si raddoppia il numero di gradi di libertà:
m
mH2  mH2
2
H
FERMIONI

BOSONI

 O  ( 2  mB2 )  ( 2  m 2f )


 O  ( mB2  m 2f )


mB  m f  1 TeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Minimal Supersymmetric
Standard Model (MSSM)
Fermioni: quark, leptoni  s = ½
Sfermioni: squark, sleptoni  s = 0
Bosoni di Gauge: W±, Z0, ,gluoni  s = 1
Gaugini: Wino, Zino, fotino, gluino  s = 1/2
Higgs  s = 0
Higgsini  s = 1/2
R  (1)
3B L2 S
R = +1
R = -1
~ ~ ~ ~

0
~
~
χ
,
i

1
,
2
χ
si
mescolano,
e
nello
spettro
fisico
W, Z,  , H
i
j , j  1,4
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Lightest Supersymmetric
Particle (LSP)
Se R si conserva:
• sparticelle in coppia
• sparticella  sparticella + particelle
• LSP stabile
Se la LSP avesse carica elettromagnetica
o forte, condenserebbe in materia
ordinaria, e si mostrerebbe sotto forma di
isotopi anomali.
Neutralino:
La LSP deve
interagire
solo
debolmente
~
~
~
  a1~  a2 Z  a3 H1  a4 H 2
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Topologie a R conservata
• leptoni ad alto pT
• jet ad alto pT
• energia trasversa mancante
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Supergravita’
Il MSSM dipende da 124 parametri liberi
mSUGRA minimal SUper GRAvity
Teoria globale
Teoria locale
m0
m1/2
A0
sign m
tan b
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricerca di particelle
supersimmetriche
Diversi esperimenti hanno effettuato ricerche di particelle
supersimmetriche: LEP, CDF, D0, HERA...
~ ~ ~~ ~ ~
~
~
Canale di ricerca ( g g , l l , q q , )
topologia  selezione degli eventi
leptoni pT > pTcut
jet
pT > pTcut
Etmiss > (Etmiss)cut
eccesso rispetto allo SM
Nessuna evidenza
Limiti inferiori sulle masse
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Limiti sulle masse
CDF: sbottom
L3: selettrone
ALEPH: chargino
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Limiti sui parametri
Teoria
LEP1
Chargini
Sleptoni
Higgs
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Nonostante non si sia vista alcuna evidenza...
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Motivazioni teoriche
Unificazione delle coupling constant...
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Motivazioni Teoriche (II)
…rottura della simmetria EW
SM
Introduciamo un campo scalare :
V( )  m     ,
2
2
MSSM
162m
4
m0 
Abbiamo dei campi scalari (squark, sleptoni,
higgses…), che hanno massa m0 a 1016 GeV.
Runnando le masse fino a scala elettrodebole:
d 2
6
mH  3 X t  6 g 22 M 22  g12 M 12
dm
5
X t  2 (m  m  m )
2
t
2
H
2
~
tL
2
~
tR

Massimiliano Chiorboli
m0
Seminario di sezione
Cosmologia: materia oscura
Sistema Solare
Galassie


c
per la materia visibile:
dalle misure sulle fluttuazioni
del fondo a microonde
3H 02
c 
8G N
0.004  vis  0.012
  0.8  0.2
dalla Big-Bang Nucleosynthesis 0.01  b  0.08
Se si ha una LSP stabile, questa potrebbe rappresentare la soluzione al
problemaMassimiliano
della materia
oscura
Seminario di sezione
Chiorboli
Cosmologia: materia oscura
Si cerca di osservare gli scattering dei neutralini con i nuclei di un rivelatore
Il segnale è un effetto di modulazione annua del rate dovuto
al moto relativo della Terra rispetto all’alone di WIMPs
S ( E R , t )  S 0 ( E R )  S m ( E R ) cos(t  t 0 )
Massimiliano Chiorboli

2
days
365
Seminario di sezione
Evidenze di SUSY da misure
di g-2 del m
am 
gm  2
2
am  0
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Evidenze di SUSY da misure
di g-2 del m
Esperimento E821 al Brookhaven National Laboratory
2.6
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Evidenze di SUSY da misure
di g-2 del m
Spiegazione di questa discrepanza:
 fluttuazione statistica
probabilità 0.9%
 struttura del m:
non osservata in processi con m più
energetici (HERA, LEP);
 extra dimensions
(effetti troppo piccoli)
 correzioni adroniche poco accurate
 supersimmetria
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricerche future: LHC
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
CMS
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricerca di sparticelle a CMS
Simulazioni per studiare le capacità del rivelatore a
“vedere” fenomeni supersimmetrici
Regioni dello spazio dei parametri in cui si
apprezza l’eccesso rispetto allo SM (scoperta della
supersimmetria);
Misurato l’eccesso, ricostruire i picchi di massa
delle superparticelle (ricostruzione dello spettro)
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Scoperta della supersimmetria
Selezione degli eventi
Canale (es. squark-gluino)
Conteggio
S

5
B
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Contorni 5
~
g~
g,
A0  0
tan b  2
Massimiliano Chiorboli
m0
Seminario di sezione
Previsioni…
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricostruzione dello spettro
CMS è in grado di scoprire le supersimmetrie entro un ampio
range di parametri.
Ma è in grado di ricostruire lo spettro?
Eccesso rispetto allo SM
Sparticelle: massa, carica,
accoppiamenti…
Fissare un punto dello spazio dei parametri
Ricavare informazioni sullo spettro
Ricostruire le superparticelle
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricostruzione di sparticelle
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Proposed Post-LEP Benchmarks for
Supersymmetry (hep-ph/0106204)
g
643.3
tL
412.5
bL
522.5
tR
600.5
bR
549.7
 40
379.1
qL
570
 30
358.8
qR
549
 20
186.8
lL
211.4
 2±
379.7
lR
145.8
 1±
186.0
10 = LSP
99.6
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Catena di decadimento
~
pp  ~g  bb (26 %)
TOT
SUSY
 41.41 pb
p
~ 0 b
2

b
~
 20
~g
~

~
b
p
~
10

(35 %)
~
10    (0.2 %)
~ 
   ~
10     (60 %)

b
Stato finale dell’evento:
Fondi SM:
•  2 leptoni isolati OS ad alto pT
tt, Z+jet, W+jet,
ZZ, WW, ZW
•  2 b-jet ad alto pT
• missing Et
Massimiliano Chiorboli
10 fb-1   6 mesi di run
Seminario di sezione
b-tagging
Elettroni  calorimetro elettromagnetico
Muoni
 camere per muoni
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
0
~
Decadimento del  2
p
SUSY

b
~
 20
~
g
~

~
b
M max
  


~
10

b
p
M(e  e  )  M(m m  )

0
~
2

0
~
1
~

(M 2~0  M 2~ )( M 2~  M 2~ 0 )
2
1
M ~
Massimiliano Chiorboli


 85.32 GeV
Seminario di sezione
SUSY
+ SM
tt
Z+jet
W+jet
M(e  e )  M(m m  )  M(e m  )  M(e m  )
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
E Tmiss  50 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Risultato del fit:
Mmax
GeV
   86.00  1.64

Valore generato:
M max
  

Massimiliano Chiorboli
(M 2~0  M 2~ )( M 2~  M 2~ 0 )
2
1
M ~
 85.32 GeV
Seminario di sezione
p

b
~
 20
~
g
~

~
b
~
10

b
p
M ~ 0


1
p ~ 0  1 
2
 M
 



p  
 

75 GeV  M      92 GeV
Assumendo M nota
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricostruzione dello sbottom
p

b
~
 20
~
g
~

~
b
p

~
10

b
Etmiss > 150 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Risultato del fit:
M( ~
 20 b)  509.5  6.6 GeV
  47.5
Masse generate:
~
M( bL )  522.5 GeV
~
M( bR )  549.7 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Decadimento dello sbottom
0
~
~
~ ~0
1

b b 2




E Tmiss  50 GeV
M max

 
 b
(M 2~b  M 2~ 0 )( M 2~ 0  M 2~ 0 )
R
2
2
1
M ~ 0
 437.50 GeV
2
M max

 
 b
(M 2~b  M 2~ 0 )( M 2~ 0  M 2~ 0 )
L
2
2
M ~ 0
1
 412.84 GeV
2
Risultato del fit:
max
M 
b  436.1  38.1 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Ricostruzione del gluino
p
b
~
g

~
 20

~

~
b
~
10

b
p
Etmiss > 50 GeV
Etmiss > 100 GeV
Massimiliano Chiorboli
Etmiss > 150 GeV
Seminario di sezione
Result of fit:
M( ~
 20 bb)  611.2  9.2 GeV
  66.6
Generated mass:
M(~
g )  643.3 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Riduzione del fondo
~
  angle (bb)
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
cos   0.4
cos   0.4
cos   0.8
cos   0.8
sbottom
gluino
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
~
~
M( g ) - M( b )
~
~
M( g ) - M( b ) non dipende da M(10) !
cos   0.4
M(~
10 )  30 GeV
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
cos   0.4
Risultato del fit:
M( ~
 20 bb)  M( ~
 20 b)  87.0  5.8 GeV
  30.8
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Informazioni ottenute
M max
  

(M 2~ 0  M 2~ )( M 2~  M 2~ 0 )
2
1
M ~
~)
M(
M max

 
 b
(M 2~b  M 2~ 0 )( M 2~ 0  M 2~ 0 )
R
2
2
1
M ~ 0
2
~
M( b )
M( ~
g)
 10%
~
~
~)
M( g )  M( b ) Indipendentemente da M(
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione
Conclusioni
CMS è in grado di coprire quasi interamente lo spazio dei
parametri mSUGRA previsti per una scala del TeV
Se la supersimmetria è vera, la sua scoperta è altamente
probabile
CMS, in alcune regioni dello spazio dei parametri è in grado
di ricostruire i picchi di massa di alcune superparticelle e di
ricavare sperimentalmente informazioni su parte dello
spettro
Work in progress…
Massimiliano Chiorboli
Seminario di sezione