Paweł Brückman de Renstrom SUperSYmetria (SUSY) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Hipoteza “supersymetrii” (SUSY) “zwykłe” cząstki (kwarki, itd.) cząstki supersymetryczne Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom SUSY - a co to? Symetria pomiędzy fermionami (materia) a bozonami (siły) Dla każdej cząstki p ze spinem s, istnieje partner SUSY ze spinem s-1/2. (ale złamana) Ex. : q (s=1/2)  (s=0) skwark g (s=1)  (s=1/2) gluino Ale supersymetria nie jest symetria, jest zlamana, bo jakby była to masy czastek i ich parnerow bylyby takie same i już bysmy je znalezli. Żeby petle się znosily i poprawka do mh była mala to roznice mas pomiedzy czastka i jej sczastka nie może być za duza. Motywacja: Unifikacja fermion-bozon i materia-siły jest “sexy” Rozwiązuje kilka problemów MS, np. rozbieżność mH (o tym za moment) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) SUSY “Left squark” = scalar SUSY partner of left quark quarks (L&R) leptons (L&R) neutrinos (L&?) squarks (L&R) sleptons (L&R) sneutrinos (L&?) Spin-1/2 Spin-0 After Mixing  Z0 W± gluon B W0 Bino Wino0 Wino± gluino Spin-1 4 x neutralino Spin-1/2 gluino h0 H0 A0 H± ~ H0 H± ~ 2 x chargino Spin-0 Extended higgs sector (2 doublets) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom SUSY c.d. Nie przeczy przewidywaniom MS przy niskich energiach nie wyeliminowana przez obecne eksperymenty przewiduje lekkiego Higgsa (mh < 135 GeV) Składnik teorii strun, które są rozważane jako najlepszy kandydat dla GUT (włączając grawitację) nie ma eksperymentalnej ewidencji dla SYSY: Albo SUSY nie istnieje ALBO mSUSY duża (>> 100 GeV)  nie osiągalna na obecnych maszynach Obecne limity: m > ~100-150 GeV LEP+Tevatron m > ~350 GeV Tevatron Run 2 LHC powinno powiedzieć “ostanie słowo” o (niska E) SUSY ponieważ teoria przewiduje mSUSY  kilka TeV Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Po co nam Supresymetria? Rozwiązanie tzw. „fine tuning problem” Kandydat na dark matter Unifikacja stałych sprzeżen przy MP Poprostu piękne uogólnienie MS  ...i wiele innych argumentów Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Problem „Fine Tuning” h f - ~ Pętle fermionów i bozonów z tymi samymi sprzeżeniami znoszą się dokładnie!, ALE oczekujemy że mSUSY  TeV. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Kosmos to NIE gwiazdy i planety! LSP  01 Kosmos to NIE gwiazdy i planety! CIEMNA ENERGIA 73% ( ROZPYCHANIE PRZESTRZENI ) NEUTRINA 0.1-2% CIEMNA MATERIA 23% ZWYKŁA MATERIA 4% ( MATERIA ŚWIECĄCA TO TYLKO OK. 0.4% ) LSP ( 01 w sugra) Jest doskonałym kandydatem na „dark matter” tzw. WIMP Potrzebne jest zachowanie parzystości R! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

SUSY – wielka unifikacja Zmierzone stałe sprzeżenia zbiegają się przy skali GUT w SUSY a nie w MS. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Fenomenologia SUSY Multiplikatywna liczba kwantowa: + 1 Cząstki z MS R-parzystość Rp=(-1)2j+3B+L - 1 Cząstki SUSY zachowana w większości modeli (dlaczego?) Konsekwencje: cząstki SUSY produkowane w parach Lightest Supersymmetric Particle (LSP) jest stabilna. LSP jest także słabo odziaływująca: LSP  01  LSP dobry kandydat dla ciemnej materii  LSP zachowuje się jak n  nie widzimy go  ETmiss (typowa sygnatura SUSY) Nie ma powodu żeby była zachowana, ale w wiekszosci modeli jest. Etmiss, na koncu kazdego lancucha i tak będą dwa lsp wiec typowa sygnatura to brakujaca energia Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom zderzenie proton-proton na LHC: 14 000 GeV p p Cząstka SUSY: “brakująca” energia! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Produkcja SUSY na LHC Skwarki i gluina produkowane w procesach silnych   duże przekroje czynne (możliwość odkrycia już po jednym roku)! g q q as g Ex.: m ~ 1 TeV s ~ 1 pb  104 przypadków/rok przy niskiej L będą dominującymi procesami SUSY na LHC Chargina, neutralina, sleptony produkowane przez procesy elektrosłabe  dużo mniejsze przekroje czynne q q’ + 0 Ex. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Rozpady cząstek SUSY - przykłady 01 Z 02   W 01= LSP Z 01 02 cięższe bardziej skomplikowane łańcuchy rozpadów 01 Z q 02 Rozpady kaskadowe z wieloma leptonami i/lub jetami + brakująca energia poprzeczna (z LSP) Takie spektakularne sygnatury będzie łatwo wyróżnić od tła MS Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Przypadek SUSY może wygladać tak: Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Sygnatury SUSY - przykłady Lots of high pT jets and leptons The cascade decay always ends with an LSP! (RPC) => Missing Transverse Energy. This is what you may see. Understanding of SM backgrounds essential! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Discovery potential Do tego typu wykresów warto sie przyzwyczaić  Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom SUSY - konkluzje Jeśli SUSY istnieje, to łatwo (i szybko) może być znaleziona na LHC do m  3 TeV. Dzięki dużemu przekrojowi czynnemu i spektakularnym sygnaturom tło do tych procesów jest małe. Jeśli nic nie znajdziemy na LHC: (nisko-E) SUSY umrze Jeśli ją znajdziemy: powinniśmy zmierzyć masy niektórych cząstek i zidentyfikować spin. Significance sa rzedu 500 Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Egzotyki Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Czemu grawitacja jest taka słabiutka? Gdyby była tak samo silna jak oddziałlywania elektromagnetyczne, każdy z nas ważyłby więcej niż Słońce. A może jest więcej wymiarów??? Może zobaczymy czarne dziury??? Gravity escaping into the extra dimensions. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Extra Dimension (ED) Models ED may explain complexity of particle physics Where are they? extra dimension gravity our world Gravity is escaping into the extra dimensions. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Production of Black Holes Rs SINGULARITY EVENT HORIZON Bring mass closer than its Schwarzschild Radius, RS, and a black hole will form! quark Rs Schwarzschild solution is an exact solution of the Einstein field equation of general relativity for the geometry of spacetime around an uncharged, perfectly spherical, and non-rotating body. He found them 1916 during the 1st world war. The corresponding solution for a charged, spherical, non-rotating body, the Reissner-Nordström metric, was discovered shortly after (1916-1918). RSEarth = 8.8mm Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Time Evolution of Black Holes 1. Horizon formation 2. Balding phase Class. emission of gravitational waves BH lifetime @ LHC ~ 10-27–10-25 s Decays with equal probability to all particles. Kerr BH 3. Evaporation phase Hawking radiation Superradiance 4. Planck phase ????? Pick what you like Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Czarna dziura może wygladać tak: Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Reconstructed Mass Backgrounds are low Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Randall-Sundrum models (RS) All particles but graviton live on the TeV brane Small probability for graviton to be near the Weakbrane Graviton coupling suppressed by 1/MPl If we live anywhere but the Gravitybrane, gravity will seem weak Natural consequence of warped geometry Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Consequesnce All partricles living in the bulk will have Kaluza-Klein excitations! Those manifest in 4D as heavier mass states (the entire spectrum!) Protons collide Produce a Kaluza-Klein particle Which Decays Definite mass spectrum and “spin”-2 (if a graviton!) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom The Bulk RS: Important Differences in Phenomenology from Brane-Localized Matter Richer Spectrum KK modes of Weak bosons Gluons Fermions As well as gravitons But…lower Production Cross Section for Graviton Plus decays primarily into (Right chiral) tops Changes search strategies dramatically Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Dominates over top jet background Reconstruction of hight pT tops essential! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Inne ważne pytania Czy leptony i kwarki są rzeczywiście elementarne? Dlaczego istnieją akurat trzy rodzaje kwarków i leptonów i czy napewno? Czy istnieją inne siły (cząstki pośredniczące)? Dlaczego obserwujemy tylko materię i prawie żadnej antymaterii? Jak do tego wszystkiego wkomponować grawitację? Czy znajdziemy Teorię Wielkiej Unifikacji? Nieoczekiwana fizyka? To jest najbardziej fascynujące… Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Pomiary precyzyjne Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Precyzyjne pomiary: mW , mtop Masa W i top są podstawowymi parametrami MS Stała elektromagnetyczna mierzona w przejściach atomowych, maszynach e+e-, etc.  ponieważ GF, αEM, sinW są znane z dużą dokładnością, precyzyjne pomiary mtop i mW ograniczają poprawki radiacyjne i masę Higgsa Stała Fermiego mierzona w rozpadzie mionu Poprawki radiacyjne r ~ f (mtop2, log mH) r  3% Kąt Weinberga mierzony na LEP Jak dotąd : masa W zmierzona na LEP2 a masa top na Tevatronie Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Precyzyjne pomiary: mW , mtop only logarithmic dependence Status of summer 2008: Top quark mass = 172.4 +- 1.2 GeV mW=80.399 +-0.025 GeV mH<154 GeV/c2 @ 95% CL (theory incl.) 2 contribution: ΔmW~0.007x Δmt LHC goal: Δmt<1 GeV/c2 Hope to go down to mW0.015 GeV @LHC LEP direct: mH>114.4 @ 95% CL Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Precyzyjne pomiary: mW , mtop 3•10-4 mW (LEP2 + Tevatron) = 80.399  0.025 GeV <1% mtop (Tevatron) = 172.4  1.2 GeV Bezpośrednie pomiary light Higgs is favoured Zależność mH w SM od poprawek radiacyjnych Czy LHC może być lepsze ? Tak! Dzięki dużej statystyce! Ale błędy systematyczne będą dominować!!! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Pomiar masy W Metoda dla zderzaczy hadronowych inna od tej dla e+e- W  jet jet : nie może być wyodrębniona od tłą QCD W  τ : ponieważ τ   + X, za dużo niewykrytych neutrin! tylko rozpady W  e i W  μ mogą być użyte Produkcja W na LHC: σ (pp  W(μ,e) + X)  30 nb ~ 300  106 przypadków 1 rok, niska L ~ 50x większa niż naTevatronie ~ 6000x większa niż na LEP Ponieważ nie znana (tylko ) mierzymy tylko masę poprzeczną tj. niezmienniczą masę  w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki Rozkład mTW jest wrażliwy na mW Fit do rozkładu przewidywania MS (MC) dla różnych mW  wybrać mW które najbardziej pasuje q W  q n mW= 79.8 GeV mW= 80.3 GeV Paweł Brückman de Renstrom mTW (GeV) 15 października 2009

LHC będzie pierwszą „top factory”!!! Produkcja top na LHC ggtt qqtt 90% 10% dominates @ Tevatron |h|<2.5 tt threshold LHC tt ~830 pb Tev: tt ~ 6,7 pb X100 LHC Low L 1033 cm-2s-1 Tevatron 1032 Prod Rate X1000 S/B way higher! X10 LHC będzie pierwszą „top factory”!!! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Produkcja top na LHC ... Czyli wszystko ma swoje złe i dobre strony: pomiar mtop, stt, BR, Vtb, single top, rare decays (e.g. t  Zc), resonances, etc. produkcja jest głównym tłem do nowej fizyki (SUSY, Higgs) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom 100% Single lepton tt event selection Typical selection : Isolated lepton PT>20 GeV ETmiss>20 GeV 4 jets with ET>40 GeV, ||<2.5 >1 b-jet (b50%, uds10-3, c10-2) BKG <2% W/Z+jets,WW/ZZ/WZ efficiency: ~1-2%: Lepton side Hadron side Golden plated channel (BR=30%) Clean trigger from isolated lepton Allows for in situ light jet energy scale calibration Reconstruction starts with the W (different ways to pair the right jets) Important to tag the b-jets! Largely cleans the sample and helps jet assignment. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom top mass reconstruction TOP CANDIDATE W CANDIDATE 1 Hadronic top: Three jets with highest vector-sum pT as the decay products of the top 2 W boson: Two jets in hadronic top with highest momentum in reconstructed jjj C.M. frame. m(tophad) B S m(Whad) Hadron side No b-tag L=300 pb-1 Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom top mass reconstruction – other channels di-lepton events efficiency = 6.5 %  20 000 events @ 10 fb-1 mstat = 0.04 GeV/c2 fully hadronic events efficiency = 0.08 %  3300 events @ 10 fb-1 mstat = 0.18 GeV/c2 Source of uncertainty dmtop (GeV/c2) Light jet energy scale 0.8 b-jet energy scale 0.7 b-quark fragmentation 0.3 ISR 0.4 FSR 2.8 TOTAL 3 Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Podsumowanie Możemy mieć ostanie słowo co do: mechanizmu Higgsa z MS nisko-E SUSY i innych modeli w skali TeV Higgs z MS może być znaleziony w pełnym zakresie masy do 1 TeV po 1 roku pracy przy pełnej świetlności. Przykłady pomiarów precyzyjnych: W może być zmierzone z dokładnością do ~15 MeV, masa top do ~ 1 GeV  masa Higgsa indirectly do ~ 25% To bardzo prawdopodobne, że to co znajdziemy w tym eksperymencie zmodyfikuje nasze zrozumienie Natury ALE … musimy pamiętać, że możemy się natknąć na Coś Zupełnie Innego Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom I jeszcze jedno… ATLAS rozpocznie zbieranie danych pod konec 2009. Zostało niewiele czasu, a więc pospieszcie się! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009