Status und Perspektiven der Supersymmetrie Einleitung SUSY an Beschleunigerexperimenten Signaturen Squarks und Gluinos Charginos und Neutralinos Möglichkeiten ⇔ Jets Leptonen Verletzung der R-Parität Langlebige Teilchen Gauge Mediated SUSY Breaking Seltene Zerfälle: Bs LHC vs. ILC Zusammenfassung (SUSY Higgs siehe Vortrag K. Desch) Arnd Meyer – RWTH Aachen DPG Tagung Dortmund, 30. März 2006 Supersymmetrie ● Supersymmetrie (SUSY): fundamentale Symmetrie, die Bosonen und Fermionen verknüpft ● Stabilisiert Higgsmasse (“fine-tuning”) ● m(Higgs) ~ < 135 GeV (MSSM) In guter Übereinstimmung mit Erwartung aus EW Fits “Running” der Kopplungen wird hinreichend modifiziert, um Grand Unification an einer Skala zu ermöglichen http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ ● LSP (Lightest SUSY Particle) ist Kandidat für dunkle Materie Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 2 Beschleuniger Proton Antiproton CMS Proton Radius = 1 km 1 TeV + 1 TeV Luminosität 1.7 x 1032cm-2sec-1 (erreicht) Integrierte Luminosität 3 x 1032cm-2sec-1 (Run IIb, -´09) 1.3 fb-1 / Exp. (Run IIa, ´02-´06) 4 – 8 fb-1 / Exp. Run II Bunches WW / Crossing 36 x 36, 396 ns max. 10 Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Proton ATLAS Radius = 4.3 km 7 TeV + 7 TeV 1034cm-2sec-1 (Design) 0 – 300 pb-1 (Aug-Okt ´07) 1 – few fb-1 (´08) 10... 100 fb-1 / a (≥ ´09) 2808 x 2808, 25 ns 20 Seite 3 Tevatron: DØ und CDF Experimente DØ Stärken: Myonsystem mit großer Akzeptanz, hermetische Kalorimeter CDF Stärken: große Level 1 Triggerbandbreite, zentrales Tracking Typisch: Elektronakzeptanz Myonakzeptanz Präzisionstracking (Si) || < 2.0 – 3.0 || < 1.0 – 2.0 || < 2.0 – 3.0 Detektoren gut verstanden und nehmen Daten mit ~80-90% Effizienz Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 4 Barrel Muon Chambers Start 2007 (fast) komplett [Pixels und Endcap ECAL im ersten Shutdown Level 1 Output Rate 50 kHz (100 kHz Design)] Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 ADR 2006 Seite 5 Start 2007 (fast) komplett [TRT Akzeptanz || < 2.0 (2.4 Design) Level 1 Output Rate 40 kHz (75 kHz Design)] Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 ADR 2006 Seite 6 Tevatron vs. LHC SUSY Wirkungsquerschnitte am Tevatron sehr klein gutes Verständnis des SM Untergrunds nötig (SUSY-freie Kontrolldaten) ● Prozess ~ +~ – (m=200GeV) Top Paarprod. W+4j (kt>20GeV) Tev LHC WQ x 10 x 100 x 500 (Mrenna, Moriond EWK 2006) ● Tevatron und LHC sind “Parton-Collider” ● Wichtig: Protonstruktur ( HERA) Tevatron: oft Gluondichte bei hohen x LHC: auch kleine x Tevatron LHC Unsicherheit der theoretischen Vorhersagen ● Verständnis von Protonstruktur hat großen Einfluss auf Sensitivität (u.U. grösser als Korrekturen höherer Ordnung / Skalenunsicherheit) Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 7 Supersymmetrie – Signaturen Spin 0 Higgs h0,H0,A,H± ~ Sleptonen l ~ Squarks q 1/2 1 ~ Gluino g EichLeptonen bosonen Quarks ~± ~0 Gauginos , ~ 3/2 ~ Gravitino G 2 Graviton G ~ ● LEP Suchen nach Charginos, Sleptonen, Higgs: m(±)>103.5 GeV, m(l)>95 GeV, m(h)>114.4 GeV ● Signaturen abhängig von Modellannahmen (z.B. MSSM: > 100 Parameter) ● + 1 SM – 1 SUSY R-Paritätserhaltung: ET durch nicht detektiertes LSP Verschiedene Modelle der SUSY Symmetriebrechung haben verschiedenste phänomenologische Konsequenzen: Jets, Leptonen, Photonen, langlebige Teilchen R-Parität Rp= Benchmark-Szenarien erlauben es, mit realistischen Aufwand systematisch supersymmetrische Modelle zu untersuchen, und gleichzeitig existierende experimentelle und theoretische Grenzen zu berücksichtigen (z.B. “Snowmass Points and Slopes”) Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 8 Supersymmetrie – Signaturen Meistuntersucht ist mSUGRA: Gravitation vermittelt Symmetriebrechung, nur 4 ½ Parameter – Skalare und Gaugino Masse an der GUT-Skala, m0 und m1/2 – Trilinearer Kopplungsparameter A0 – tan , Verhältnis der Higgs Vakuumerwartungswerte an der schwachen Skala – sign(), Higgsino Massenparameter Fehlende transversale Energie (LSP) und/oder viele Jets und/oder viele Leptonen aus Kaskadenzerfällen (aber: u.U. “soft”) Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 ET = 354 GeV Seite 9 Squarks und Gluinos Charginos und Neutralinos Tevatron Squarks und Gluinos ● pp Collider: Produktion von Squarks / Gluinos mittels starker WW grosser WQ ● LSP als stabil angenommen (Rp erhalten) Signatur: Jets + ET ● DØ: ∫L dt = 310 pb-1 aufgezeichnet mit dediziertem Trigger: akoplanare jets + ET Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 11 Squarks und Gluinos Datenqualität: Große Anstrengungen, um seltene Kalorimeter Probleme zu kontrollieren “Fake” missing ET verursacht durch – – – – “Falscher” Primärvertex Energie zusätzlicher Wechselwirkungen Myonen aus kosmischer Strahlung Kalorimeterrauschen und Strahluntergrund Substantiell unterdrückt durch Forderung nach Anteil geladener Teilchen assoziiert mit Jet LHC: 20 Minimum Bias Ereignisse sind nicht hilfreich! Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 12 Tevatron mSUGRA Squarks und Gluinos Selektion: 2 / 3 / 4 jets + grosses ET Separation zwischen ET und Jets Veto gegen isolierte Leptonen “Gluino”-Analyse vor finalen Schnitten “QCD” ~~ m(q,g)>333GeV ~ ~ für m(q)=m(g) mSUGRA: tan=3, A0=0, <0 W/Z + Jets (mit ) Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 13 LHC mSUGRA Squarks / Gluinos am LHC Erwartete Grenzen (5 ) nach 100 fb-1 (CMS) Jets + ET Jets + ET + lepton veto Ein Lepton Zwei ungleichgeladene Leptonen Zwei gleichgeladene Leptonen Trileptonen Im Großteil des (mSUGRA) Parameterraums sensitiv mit verschiedenen Signaturen Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 14 Squarks / Gluinos am LHC LHC mSUGRA Bei großen Massen: erwarte S / B > 10, d.h. Sensitivität hängt vom Signal ab, kaum von SM Untergrund 1 fb-1 ⇒ M ≃ 1500 GeV 10 fb-1 ⇒ M ≃ 2000 GeV 100 fb-1 ⇒ M ≃ 2500 GeV Tev Run II: max. 500 GeV Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 15 Tevatron MSSM Stop in b l (+e) ~ Dritte Generation ist “besonders” ● ● Große links-rechts Mischung z.B. ~ m(top) Stop könnte leichtestes squark sein In bestimmten Parameterbereichen ist der Zerfall in b + lepton + sneutrino vielversprechend tan=20, >0 Stop Paarproduktion: Zwei isolierte Leptonen, missing ET, zwei b-Jets (u.U. weich) ● ● e Analyse benutzt Anzahl isolierter Spuren anstatt identifizierter b-Jets höhere Effizienz, bessere Systematik ~ ~ Optimierung in Abhängigkeit von M = M(t) – M() Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Neues Ergebnis: Kombination von e (neu) und Seite 16 Tevatron MSSM Sbottom ∫L dt = 310 pb-1 aufgezeichnet mit akoplanarem Jet + ET Trigger 100% ~ ~0 Signal: generisches MSSM, variiere m(b) und m(1 ) Selektion: 2 oder 3 Jets, ET >= 1 “tight” b-tag Veto gegen isolierte , e, track (pT > 5 GeV) ~ Optimierung vs. m(b) ~ SM Erwart. Daten low m(b) 38.6 ± 2.8 36 Arnd Meyer (RWTH Aachen) ~ ~ medium m(b) high m(b) 19.6 ± 1.7 4.4 ± 0.4 15 2 30. März 2006 Seite 17 Charginos / Neutralinos Tevatron mSUGRA ● “Golden channel”: Kaskadenzerfälle mit Leptonen Drei geladene Leptonen + ET ● Aber: kleine Ereigniszahlen ( x BF < 0.5pb), niederenergetische Leptonen ● Sechs Analysen, ∫L dt ≃ 320 pb-1 ee + track, e + track, + track, ±± [e + track, + track (interessant für große tan stau leicht viele Tau Leptonen)] Selektion: ● Drei Leptonen (ll + track), pT > 3-11 GeV (abhängig vom Kanal) Fehlende transversale Energie Veto Ereignisse mit Z ll Zerfällen Untergrund ● Multijets mit fehlidentifizierten Leptonen Drell-Yan, Z-Produktion mit Z ll Di-Boson Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 18 Tevatron mSUGRA Charginos / Neutralinos: Kombination “3l-max”: maximale leptonische ~0 BF (m(slepton) ≃ m(2 ) sfermion Zerfälle dominieren) “Large m0”: Zerfälle via W*/Z* dominieren leptonische BF klein “Heavy squarks” (keine mass unification): großer WQ Sensitiv für mSUGRA jenseits der LEP Grenzen, signifikante Verbesserung gegenüber Run I Grenzen ~ Szenario ausgeschlossen Chargino mit m < 117 (132) GeV im “3l-max” (heavy q) Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 19 Tevatron mSUGRA Charginos / Neutralinos Ausblick Erwartete Sensitivität (Tevatron kombiniert) ~ m(±) ≃ 200 GeV mit 2 fb-1 im optimistischen “3l-max”-Szenario Anpassung eines MSSM an experimentelle Daten (CDM, mW, (g – 2), BF(b s), sin2eff) ~ m(±) ≃ 200 GeV für tan = 10 Ellis, Heinemeyer, Olive, Weiglein Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 20 LHC mSUGRA SUSY Modellparameter ● SUSY ist entdeckt – wie lassen sich Modellparameter bestimmen? Schwierig am Tevatron ● LHC: Fits erlauben Rückschluss auf bestimmte Modelle basierend auf Massen (, Spins, ...) ~0 ● Aber: in mSUGRA und vielen anderen Modellen führt die Zerfallskette zu unbeobachteten 1 kein Massenpeak, nicht einmal transversale Masse benutze kinematische Endpunkte ● Einfaches Beispiel: ● Komplexeres Beispiel: Weiterer “Trick”: Untergrund aus SM und unabhängigen SUSY-Zerfällen ist “flavor-neutral”: +– + e+e– – +e– – e+– ist untergrundfrei bis auf Statistik und Akzeptanzunterschiede Arnd Meyer (RWTH Aachen) Paige, Polesello 30. März 2006 Seite 21 LHC mSUGRA SUSY Modellparameter Untergrund subtrahiert ● Methode ist übertragbar auf großen Teil des mSUGRA Parameterraums ● Rekonstruktion langer Zerfallsketten mittels kinematischer Endpunkte und Schwellen möglich Paige, Polesello ● Verschiedene Studien: Massendifferenzen mit ≃ 1% Unsicherheit meßbar ● Aber: absolute LSP Masse nur mit O(10%) Unsicherheit bestimmt Linear Collider Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Allanach Seite 22 Alternativen Möglichkeiten Überraschungen R-Paritätsverletzung R-Parität: R P=−1 3B L2S S Spin B Baryonzahl L Leptonzahl + 1 SM – 1 SUSY i,j,k = 1,2,3 Generationenindizes Verletzung der R-Parität 45 zusätzliche Parameter (Yukawa Kopplungen) ijk L = 1 (9) ´ijk (27) Resonante Produktion Leptonen und Jets RP verletzt im Zerfall Viele Leptonen ´´ijk (9) L = 1 B = 1/3 Jets Schwierig am Hadronkollider Arnd Meyer (RWTH Aachen) Experimentell und theoretisch eingeschränkt (p-Zerfall usw.) LSP kein Kandidat für dunkle Materie in RPV Modellen 30. März 2006 Seite 24 Tevatron R-Paritätsverletzung Analysen in mSUGRA inspirierten Szenarien: ● ● Kopplungen gut untersucht (Endzustand sehr ähnlich Chargino/Neutralino “Trileptonen”) ´ Kopplungen: nur vereinzelt; interessant bei HERA ´´: keine Tevatron Analysen bisher Starke Einschränkungen auf mehr als eine von Null verschiedene Kopplung, aber einige interessante Signaturen: Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 25 Tevatron RPV MSSM Neutrale langlebige Teilchen Paarproduktion schwerer neutraler Teilchen Masse c O(GeV) O(cm) z.B. MSSM mit RPV MC 2 isolierte Myonen, pT > 10 GeV Inspiriert durch 3 unerwartete NuTeV Di-Myon Ereignisse Vertex mit 5 < r < 20 cm Schnitte auf dca der Myonen N(Daten) = 0 N(Untergr.)= 0.8 ± 1.1 ± 1.1 Arnd Meyer (RWTH Aachen) L = 380 pb-1 30. März 2006 Seite 26 Geladene langlebige Teilchen Tevatron Massive stabile Teilchen werden von vielen Modellen vorhergesagt Z.B.: Paarproduktion stabiler Staus (Gauge-mediated SUSY Breaking mit Stau als NLSP) [Model Line “D” aus Snowmass 2001] “Stabil” = Lebensdauer lang genug um den Detektor zu verlassen Signatur: “Myon”, aber mit Geschwindigkeit < c und großer Masse DØ Selektion: – Di-Myon Daten – Timing im Myonsystem, um langsame Teilchen zu erkennen – Kinematische Schnitte gegen Z mit ungenau gemessener Flugzeit Energieverlust (noch) nicht benutzt; CDF: TOF Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 27 Geladene langlebige Teilchen Tevatron Keine Ereignisse in ∫L dt = 390 pb-1, 0.66 ± 0.06 erwarteter Untergrund Grenze für Stau Produktion: noch keine ausreichende Sensitivität Alternative Interpretation: Das leichteste Chargino kann hinreichend langlebig sein, wenn die Massendifferenz zum leichtesten Neutralino kleiner als ~ 150 MeV ist (z.B. Anomaly-Mediated SUSY Breaking) 174 GeV Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 28 Tevatron R-Hadronen “Stopping Gluinos” Gluinos hadronisieren in R-Hadronen. Geladene R-Hadronen können durch Ionisierung Energie verlieren und zur Ruhe kommen. Siehe hep-ph/0506242 (“split SUSY” schwere Squarks) ● Lebensdauer zwischen 10 ns und 100 sec, Zerfall in Jets + ET (LSP) ~500 “stopped gluinos” in 2 fb-1 für m(gluino) = 300 GeV Genau ein zentraler “breiter” Jet mit ET > 90 GeV “Rapidity gap” Trigger, als Veto gegen pp Wechselwirkung Kein Primärvertex, Myon Veto Signal MC Arnd Meyer (RWTH Aachen) Cosmic 30. März 2006 ha lle n C DØ Analyse: ● gi ng Kandidat Seite 29 Tevatron R-Hadronen “Stopping Gluinos” Untergrund (eine Auswahl): – Kosmische Myonen, Beam Halo, Detektoreffekte, diffraktive Ereignisse, ... größtenteils aus den Daten abgeschätzt Zusätzliche Schwierigkeiten: m(gluino)=400GeV m(LSP)=90GeV – Energiedepositionen sind out-of-time relativ zum bunch crossing (Signal shaping und Diskriminierung) – Trigger Daten verträglich mit Untergrunderwartung 200 GeV Intervalle in Jetenergie übersetzt in Gluinomasse für bestimmte Masse des LSP 50 GeV 90 GeV m(LSP) Theorie Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 30 LHC R-Hadronen “Stopping Gluinos” und R-Hadronen am LHC Monojet-Signatur, aber nicht “in-time” ● O(106) stopped gluinos / 100 fb-1 ● Aber: langsame, schwere Teilchen detailliert untersucht ● Für < 0.5: Ereignis wird nicht mehr komplett im gleichen Bunchcrossing aufgezeichnet werden LHC 100 fb-1 Trigger? Auslese? Tevatron 2 fb-1 A.Arvanitaki, S.Dimopoulos, A.Pierce, S.Rajendran, J.Wacker Für > 0.5, Entdeckungspotential für R-Hadronen bis ~ 1.5 TeV GEANT-Simulation: Energieverlust eines 300 GeV R-Hadrons im ATLAS Kalorimeter A. Kraan Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 31 Gauge Mediated SUSY Breaking Tevatron GMSB ~ Lebensdauer unbekannt Gauge Mediated SUSY breaking: Gravitino G ist LSP ~ ~0 Annahme hier: prompter Zerfall Mögliches Szenario: Neutralino NLSP, 1 G Chargino/Neutralino Produktion führt zu Endzustand mit + ET Inklusive Suche nach 2 Photonen plus ET (∫L dt = 760 pb-1) Selektion: Zwei zentrale Photonen mit ET > 25 GeV Optimierter Schnitt ET > 45 GeV Daten: 4 Ereignisse, erwartet 2.1 ± 0.7 Ereignisse Untergrund Grenzen für Chargino und Neutralino (N5=1, Mm=2, tan=15, >0): ~ m( 01 ) > 120 GeV Arnd Meyer (RWTH Aachen) ~ m(±) > 220 GeV 30. März 2006 Seite 32 Tevatron Bs Standardmodell: BF (Bs ) ≃ 3 – 4 · 10-9 Sensitiv auf neue Physik, z.B.: – – – – Modelle mit erweitertem Higgssektor (2HDM) z.B. MSSM: BF ~ tan6 minimal SO(10) GUT R-Paritätsverletzung Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 33 Tevatron LHC Bs Nach optimierter Selektion (Lebensdauer, Isolation): Constrained MSSM b s CDM Theorie Neues Ergebnis von CDF (780 pb-1): BF(Bs-> µ+ µ− ) < 1.0 × 10-7 (95% C.L.) “Nur” Faktor 30 oberhalb SM Erwartung LHC Sensitivität im Bereich der SM Erwartung Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Ellis, Olive, Spanos Seite 34 LHC/ILC mSUGRA Rolle des Linear Colliders mSUGRA Benchmarks Hauptsächlich Squarks / Gluinos Battaglia et al., hep-ph/0306219 Hauptsächlich Gauginos / Sleptonen SPS1a LHC/LC Study Group Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 35 Zusammenfassung ● Tevatron und die Experimente DØ und CDF untersuchen bisher unerreichtes Territorium möglicher SUSY Modelle, und haben eine echte Chance bis zum Beginn der LHC Ära ● Liegt SUSY im theoretisch bevorzugten Bereich, sollte die Entdeckung spätestens am LHC zu erwarten sein (Aber: Fine-tuning Argument für TeV-SUSY nur qualitativ; 3 TeV schwieriger!) ● Einige Szenarien können zu ungewöhnlichen Signaturen führen – z.B. langlebige Teilchen ( Flexibilität der Experimente) ● Alle Hinweise auf neue Physik in den letzten 30 (?) Jahren haben sich am Ende wieder zerschlagen – es wird Zeit... Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 36 LHC “Run Plan” Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 37 2008 / 9 Expect the Unexpected... Murayama, LP 2003 Summary Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 38 Backup Beschleuniger CDF und DØ: 1.2 fb-1 pro Experiment aufgezeichnet (“Run IIa”, 2002 – 2006) Geplant: 4 – 8 fb-1 pro Experiment bis 2009 (z.Zt. 3.5 Monate Shutdown) LHC Start-Up Szenario: August – Oktober 2007 2008 ≥ 2009 Arnd Meyer (RWTH Aachen) 1 x 1 bis 156 x 156 Bunches 936 x 936 (75 ns) 2808 x 2808 (25 ns) 30. März 2006 ≤1032cm-2s-1 0 – 300 pb-1 1032 – 1033cm-2s-1 1 ... few fb-1 ... 1034cm-2s-1 10... 100 fb-1 / a Seite 40 Charginos / Neutralinos: SUSY mit leichtem Stau (grosse tan ) Endzustände mit mehreren Taus Tau rekonstruiert als 1 oder 3 Spuren assoziiert mit schmaler Energiedeposition im Kalorimeter Mehrere Neuronale Netze, um die verschiedenen Zerfallstopologien von Jets zu unterscheiden In existierender Analyse (tan = 3), Grenze auf WQ um ~10% verbessert Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 41 R-Paritätsverletzung R-Parität: R P=−1 3B L2S + 1 SM – 1 SUSY S Spin B Baryonzahl L Leptonzahl i,j,k = 1,2,3 Generationenindizes RP verletzt im Zerfall Viele Leptonen Resonante Produktion Leptonen und Jets im Endzustand L: Lepton Doublet Superfeld E: Lepton Singlet Superfeld Q: Quark Doublet Superfield D: Down-type Quark Singlet Superfeld Yukawa Kopplungen , ', '' 9 + 27 + 9 freie Parameter experimentell und theoretisch eingeschränkt (p Zerfall usw.) LSP kein Kandidat für dunkle Materie in RPV Modellen Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 42 Bs mSUGRA Nach optimierter Selektion (Lebensdauer, Isolation): Dedes, Dreiner, Nierste, Richardson, hep-ph/0207026 SO(10) SUSY breaking Kombination von CDF & DØ (364 pb-1, 300 pb-1): BF(Bs-> µ+ µ− ) < 1.5 × 10-7 (95% C.L.) Neues Ergebnis von CDF (780 pb-1): BF(Bs-> µ+ µ− ) < 1.0 × 10-7 (95% C.L.) “Nur” Faktor 30 oberhalb SM Erwartung Arnd Meyer (RWTH Aachen) Dermisek et al. hep-ph/0507233 30. März 2006 Seite 43 Rolle des Linear Colliders Blair, Martyn, Polesello, Porod, Zerwas Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Seite 44 Arnd Meyer (RWTH Aachen) 30. März 2006 Joseph Lykken, Moriond EWK 2006 Seite 45