Seminar SS07_files/2007_05_21_merz_vortrag - RWTH

Suche nach dunkler Materie
am LHC
21.05.2007
Jennifer Merz
Inhalt
Einführung
- Wichtige Punkte von SUSY
- LHC Experimente: CMS und ATLAS
Suche nach Dunkler Materie
- Suche nach SUSY
- Parameterraum einschränken
- Parameter berechnen
- Vorhersage der Restdichte (relic density)
Zusammenfassung
- Komplementarität der Experimente: LHC/direkte Suchen
- Ausblick
Wichtige Aspekte des SUSY-Modells
ƒ Einführung der R-Parität
ƒ Erhaltung plausibel: Nicht-Erhaltung widerspricht – ohne spezielles Tuning – den
beobachteten Lebensdauern der Nukleonen; Protonzerfall
ƒ Erhaltung hat zur Folge:
SUSY-Teilchen werden nur paarweise erzeugt
leichtestes Teilchen (LSP) ist stabil
- LSP trägt keine el. Ladung und ist farbneutral
exp. Signaturen:
ƒ MSSM führt auf 124 freie Parameter
- Einschränkung durch mSUGRA auf 5:
- im weiteren: Variationen von m0, m1/2 und tan β werden besprochen; µ>0
bevorzugt; A0 nicht wichtig für DM, oft A 0 = 0
Wichtige Aspekte des SUSY-Modells
ƒ LSP ist ein Kandidat für die kalte dunkle Materie (CDM)
Gravitino:
ƒ wegen sehr schwacher WW führt dies normalerweise zur Ω>1
ƒ daher kommt es nur in speziellen Modellen als LSP vor
Gluino:
ƒ große QCD Kopplungsstärke führt zu hoher Masse des Gluinos (Widerspruch
zu LSP)
ƒ große Annihilationsraten im frühen Universum führen zu kleiner Restdichte,
d.h. kein signifikanter Beitrag zur Dunklen Materie
Sneutrino:
ƒ nicht favorisiert in den meisten Modellen
ƒ momentane direkte Suchen schränken möglichen Bereich für Sneutrinos stark
ein, bzw. schließen sie eigentlich ganz aus
Wichtige Aspekte des SUSY-Modells
ƒ wahrscheinlichster Kandidat für LSP:
leichtestes Neutralino
- Mischung aus
- diese Mischung bestimmt die Kopplung an andere Teilchen
- Massenuntergrenze für
0
1
: ~60GeV (LEP)
LHC Experiment - CMS
ƒ General Purpose Detector (Solenoid
Magnetfeld von 4T): u.a. um nach
Higgs-Boson und SUSY zu suchen
ƒ soll Myonen mit hohem pT und isolierte
Elektronen, Photonen und Hadron-Jets
mit großer Impulsauflösung vermessen
ƒ gute Spurrekonstruktion durch SilikonStreifen Detektoren und Pixeldetektoren
ECAL:
ƒ Abdeckung bis |η|=3, ca. 5°
ƒ präzise Messungen von Elektronen und Photonen möglich
ƒ Kristallkalorimeter für hohe Energieauflösung
HCAL: ƒ Barrel, Endcap Kalorimeter: |η|<3
ƒ Very Forward Kalorimeter: 3<|η|<5, bis ca. 1°, aus besonders strahlenhartem Material
ƒ stellt Hermitizität des Detektors sicher, keine Energie bleibt ungesehen
ƒ gute Messung von Multi-Jet Endzuständen
LHC Experiment - ATLAS
ƒ General Purpose Detector, u.a. für
Suche nach Higgs-Boson und
SUSY
ƒ Tracker im Solenoid (2T)
ƒ ECAL: Flüssig-Argon-Kalorimeter
für gute Ortsauflösung
ƒ Hadronen sollen im HCAL
vollständig absorbiert werden
ƒ Myonen in Luft vermessen:
torodiales Myon-Spektrometer
ƒ Kalorimetrie schließt den Detektor
hermetisch ab: gute Emiss
Messung
T
ƒ beide Experimente ergänzen sich durch ihre verschiedenen Bauarten
ƒ Entdeckungen können bestätigt/widerlegt werden
LHC SUSY/CDM Programm
1. SUSY entdecken
2. Parameterraum einschränken
3. Restdichte Ωχh2 berechnen
Suche nach SUSY
Inklusive Suchen
ƒ am LHC werden aus Proton-Proton-Kollisionen viele Squarks und Gluinos erwartet
ƒ allgemeine SUSY-Eigenschaften ausnutzen:
[1]
miss
- 2 (unsichtbare) LSPs in jedem Ereignis
großer Anteil an E T
- Zerfälle von Squarks und Gluinos
viele Jets
[6]
Einschränken des Parameterraums
tan β = 35
ƒ Plots: erlaubte Regionen des
Parameterraums
tan β = 50
ƒ LEP: Ausschluss von
kleinen Werten für tan β
(Higgs wäre zu leicht)
ƒ auch kosmologische
Experimente favorisieren
große Werte von tan β
[3]
tan β = 35
[3]
tan β = 50
Darstellung von experimentellen und
theoretischen Einschränkungen in m0m1/2-Ebene
Parameterraum des mSUGRA
Darstellung des
m1/2 - m0 Parameterraums
(tan β=51)
Einschränkungen durch WMAP
Daten für Ωχh2
LSP geladen
1: Bulk-Region
2: Co-Annihilation-Region
3: Focus-Point-Region
4: Annihilation-Funnel
5: EGRET-Region
[3]
in 1(Bulk-Region) mχ relativ klein
0
in 2,3,4 Anzahl von 1 kleiner,
daher kann auch mχ größer sein
Higgs zu leicht
keine ew -Symmetrie
Brechung
Mechanismen der Annihilation
ƒ verschiedene Bereiche stehen für Prozesse, die im frühen Universum dominiert haben
ƒ Restdichte stark von diesen Annihilations-Prozessen und deren WQ abhängig
- hoher WQ: wenige Teilchen überleben, kleinerer Beitrag zur Massendichte
- niedriger WQ: viele Teilchen überleben, größerer Beitrag zur Massendichte
- DM-Teilchen hat hohe Masse: hoher Beitrag zur Massendichte
ƒ Teilchen im Gleichgewicht bis Temperatur unter TF fällt, danach Ende der AnnihilationsProzesse
ƒ heutige Anzahldichte gegeben durch neq(TF)
ƒ Massen und Kopplungen der SUSY-Teilchen müssen bekannt sein
bevor Vorhersage der Restdichte möglich
1. Bulk - Region
ƒ relativ niedrige Werte für m0 und m1/2
ƒ beschränkt durch Massengrenzen aus LEP- und
Tevatron-Messungen
ƒ dominierender Mechanismus: Annihilation zu
Quark-Anti-Quark Paar
ƒ Masse des LSP ergibt sich hier zu < 200 GeV
2. Co-Annihilation-Region
ƒ m0 relativ klein, m1/2 sehr viel größer
ƒ verläuft entlang der Grenze, wo das LSP geladen
wäre (Stau) und Neutralino und Stau in ihrer Masse
fast entartet sind m 0 m
1
ƒ Neutralino Inhalt überwiegend Higgsino
ƒ Anstieg des Co-Annihilations-WQ aufgrund von
Entartung
ƒ dominierender Prozess: Co-Annihilation zu τγ
ƒ Masse des LSP bis zu 500 GeV
3. Focus-Point-Region
ƒ m0 hoch, m1/2 bis zu 1TeV
ƒ entlang der Grenze, an der ew-Symmetrie Brechung
nicht auftritt
ƒ größerer Higgsino-Anteil des
0
1
ƒ WQ ist erhöht, wegen Kopplung des Higgsino-Anteils an
Eichbosonen (für Bino verboten)
ƒ das
0
1
hat ähnliche Masse wie leichtes Chargino und
0
2
ƒ daher gibt es mehr Co-Annihilationsprozesse in SM-Teilchen
z.B. 0 0
1
2
ƒ dominierender Prozess ist die Annihilation des
0
1
in ZZ oder W+W-
ƒ hohe Squark-, Gluino-, Slepton-Massen können auftreten, eventuell nicht detektierbar für
LHC
4. Annihilation-Funnel
ƒ m0 und m1/2 können in der Größenordnung 1TeV liegen
ƒ erhöhter Higgsino Anteil
ƒ bei großen Werten für tan β (≥30): m(A) ≈ 2 m
0
1
ƒ WQ resonant erhöht durch A Austausch
ƒ Dominierender Prozess:
Paar
0
1
Annihilation in b- oder τ-
ƒ m(A) muss aus anderen Prozessen berechnet werden (z.B.
H/A Æ ττ oder H/A Æ µµ) um das Verhältnis zwischen
m(A) und m( 01 ) zu bestätigen
ƒ in diesem Parameter-Bereich sollte der LHC H/A bis zu
einer Masse von 800GeV entdecken können
Zusammenfassung der Regionen
[7]
tan β = 52
Bestimmung der SUSY-Parameter
ƒ nach Entdeckung (inklusive Suchen), jetzt exklusive Identifikation von Kaskaden mit
Zwei-Körper-Zerfällen
ƒ mindestens drei aufeinander folgende Zerfälle müssen identifiziert werden
ƒ Schwellen und Endpunkte vermessen und Massen der involvierten SUSY-Teilchen
berechnen
ƒ wenn Massen der leichteren Sparticles ermittelt: über kürzere Zerfalls-Ketten Messung
von weiteren Massen
ƒ weitere Betrachtung basiert auf folgender Zerfallskette:
ƒ hier wird zwischen l=e,µ und l=τ unterschieden
- τ zerfällt innerhalb des Detektors u.a. in Neutrinos, diese sind nicht detektierbar
- daher Messung dieser Kette problematischer
Bestimmung der SUSY-Parameter
ƒ im Ruhesystem des ˜q: Zerfallsprodukte, 0 und q, können keine höhere
2
invariante Masse als Ruhemasse des q˜ haben
Prinzip:
ƒ gilt auch im Ruhesystem von
0
2
und für seine Zerfallsprodukte, usw.
Beobachtung: ƒ ein Jet (Quark) und zwei Leptonen (l+l-)
ƒ zur Rekonstruktion: am Ende der Kette anfangen
ƒ Verteilung der invarianten Massen der beiden
Leptonen hat scharfen kinematischen Endpunkt
ƒ Endpunkt ist
Massendifferenz
m
0
2
m
0
1
[5]
[1]
Bestimmung der SUSY-Parameter
ƒ Kombination der Leptonen mit Quark
liefert weitere Verteilung
ƒ Bestimmung der Schwelle und des
Endpunkts
ƒ Zusätzlich Kombination des Quarks mit
jeweils einem Lepton
ƒ Sortieren dieser Größen m ql 1
m ql 2
ƒ Nun können die Massen der SUSYTeilchen aus den experimentell bestimmten
Größen errechnet werden
[1]
Bestimmung der SUSY-Parameter
Beispiel für
„experimentell“
bestimmte Massen
[4]
ƒ für diese Analyse wurde auch die
ƒ Beispiel für mllmax :
0
4
Zerfallskette untersucht
Bestimmung der SUSY-Parameter
ƒ es werden nun viele „Experimente durchgeführt“ durch Variation der gemessenen
Werte innerhalb der abgeschätzten Fehler
ƒ Beispiel für die Berechnung der LSP-Masse und der Massendifferenz zwischen LSP
und nächst leichterem Neutralino
[4]
Modell-abh. Berechnung der Restdichte
ƒ wenn Massen der SUSY-Teilchen
bekannt:
Bestimmung der SUSY-Parameter
innerhalb eines Modells (z.B.
mSUGRA) und Berechnung der
Restdichte
ƒ zwei Möglichkeiten:
1.Fitte GUT Skala SUSY Parameter an
berechnete Massen der SUSY-Teilchen
(Massen sind durch Messungen
korreliert)
[1]
2.Fitte GUT Skala SUSY Parameter
direkt an experimentell bestimmte
Größen (Schwellen, Endpunkte)
[1]
Einschränken des Neutralino-Sektors
ƒ eine vollständige modell-unabhängige Bestimmung der Restdichte ist erst mit
weiteren Werten möglich (z.B. Masse des leichten Staus, Masse des schweren Higgs)
ƒ aus vorangegangenen Messungen sind Massen von
0
1
,
0
2
,
0
4
bekannt
ƒ die Masseneigenzustände der 0 resultieren aus der schon erwähnten Mischung aus
i
Gauginos und Higgsinos, die durch Mischungs-Matrix definiert ist
ƒ Parameter mZ, sin θw, cos θw bekannt ; M1, M2, μ, β sind zu bestimmen
ƒ nur 3 Inputs gemessenÆ ein Parameter kann nicht eingeschränkt werden
ƒ tan β, da andere Parameter direkt mit Neutralino-Massen in Verbindung stehen
ƒ Zusammensetzung des
0
1
ist
Einschränken des Neutralino-Sektors
ƒ LSP ist hauptsächlich Bino, mit
kleinem Higgsino-Anteil
ƒ d.h. Annihilation über Sfermion
Austausch dominiert
[4]
Einschränken des Slepton-Sektors
ƒ das Verzweigungsverhältnis
BR( 0 Æl̃Rl ) / BR( 0 Æτ̃τ) ist von den
2
2
Parametern der Neutralino-Matrix abhängig und
dem Mischungswinkel zwischen τ̃R und τ̃L, θτ
ƒ nimmt man Wert für tan β an, kann θτbestimmt
werden
[4]
ƒ einzig fehlender Parameter zur endgültigen
Bestimmung des Neutralino-AnnihilationsProzesses: m(τ 2)
wichtig z.B. zur Einschätzung wie wichtig CoAnnihilations-Prozesse sind
[4]
Einschränkungen vom Higgs-Sektor
ƒ diese Analyse hat bis jetzt keine Einschränkung auf tan β berücksichtigt
ƒ Einschränkung durch Masse des leichten Higgs h möglich
ƒ auch Messung der Masse und Produktionsrate eines der schweren Higgs-Bosonen H/A
nötig
ƒ daraus könnte Einschränkung in der m(A)-tan β-Ebene folgen
[6]
Modell-unabh. Berechnung der Restdichte
0
1
ƒ aus Messungen abgeleitete Parameter: Massen von
,
0
2
,
0
4
,l ,
1
und θτ
ƒ daraus: Berechnung der MSSM Parameter, die als Input zur Dichtenberechnung benötigt
werden
ƒ Plot: Ergebnis der Restdichtenberechnung (für Δmττedge=5GeV)
ƒ Untersuchung der Auswirkungen der Messungenauigkeiten auf Fehler der Restdichte
[4]
[4]
LHC vs. Direkte Suchen
ƒ LSP am LHC nicht direkt nachweisbar
ƒ LHC erzielt beste Ergebnisse in Regionen, in denen die leichten Teilchen in
großen Mengen produziert werden
ƒ direkte Suchen sind sensitiv auf Focus-Point-Region, d.h. bei hohen Werten
für m0 und m1/2, WQ wächst hier mit steigender Masse
ƒ das ist allerdings Bereich, in dem LHC-Entdeckung schwierig sein könnte, da
Massen sehr hoch und Produktions-WQ von Squarks und Gluinos gering
ƒ in Co-Annihilation-Region haben direkte Suchen Schwierigkeiten
ƒ dieser Bereich kann vom LHC genauer vermessen werden
ƒ Gegenprobe: Bestimmung des WQ am LHC liefert Vorhersage für direkte
Suchen und umgekehrt
LHC-Messungen und andere Experimente müssen sich ergänzen!
Zusammenfassung
ƒ falls es SUSY gibt, wird der LHC sie sehr wahrscheinlich entdecken
ƒ das LSP, genauer das
0
1
, ist ein exzellenter Kandidat für CDM
ƒ durch die Rekonstruktion von Zwei-Körper Kaskaden-Zerfällen kann der
SUSY Parameterraum eingeschränkt werden
ƒ die Restdichte kann berechnet werden
ƒ Ergänzung und Vergleich mit anderen Messungen (direkte Suchen,
astrophysikalische Experimente, ILC, ...) sind nötig
Literatur
[1] „Cold Dark Matter and the LHC“, M. Battaglia, I. Hinchcliffe, D. Tovey,
Juni 2004, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0406147
[2] „SUSY and Dark Matter Constraints from the LHC“, M.J. White, May 2006,
http://arxiv.org/abs/hep-ph/0605065
[3] „Supersymmetrie and LHC“, A.V. Gladyshev, D.I. Kazakov, Juni 2006,
http://arxiv.org/abs/hep-ph/0606288
[4] „Constraining dark matter in the MSSM at the LHC“, M.M. Nojiri, G. Polesello, D.
Tovey, März 2006 http://www.iop.org/EJ/abstract/1126-6708/2006/03/063
0
[5] „Search for
decays to τ˜τ and SUSY mass spectrum measurement using di-τ
2
final states, D.J. Mangeol, U. Goerlach, Juli 2006
[6] „CMS Physics TDR: Volume II (PTDR2)“, Physics Performance,
http://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/
[7] „Signatures of SUSY Dark Matter at the LHC and in the Spectra of Cosmic Rays“, J.
Olzem, April 2007, http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2007/1842/