Physik jenseits des Standard-Modells Supersymmetriedesy.de/~schleper/lehre/BSM/SS_2007/Supersymmetrie.pdf · ÆHiggs Konzept ist unphysikalisch bei großen Energien !?! P. Schleper

P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 1

Physik jenseits des Standard-ModellsSupersymmetrie

Peter SchleperInstitut für Experimentalphysik

Universität HamburgSommer 2007


Supersymmtrie: Gliederung1. Übersicht Supersymmetrie2. Gründe für Supersymmetrie

2.1 Grand Unification2.2 Hierarchie- Problem und Higgs Masse2.3 Dunkle Materie im Kosmos2.4 Theoretische Gründe

3. Theorie & Phänomenologie3.1 Formalismus3.2 Das Minimale Supersymmetrische Standard Model3.3 Feynman Diagramme3.4 SUSY Brechung3.5 Constrained MSSM und Sparticle-Massen

4. Suchen nach Supersymmetrie4.1 SUSY Suche bei LEP4.2 SUSY Suche bei LHC4.3 SUSY HIggs Suche4.4 Präzisionsexperimente

6. Zusammenfassung und Ausblick


LiteraturVorlesung:www.desy.de/~schleper/lehre/BSM

Frei verfügbar im WEB:•S. Martin, “A Supersymmetry Primer”, hep-ph/9709356

http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356 •D.I. Kazakov, „Beyond the Standard Model“, CERN school 2004

http://doc.cern.ch/yellowrep/2006/2006-003/p169.pdf•LHC im Detail: WWW Seiten der ATLAS und CMS Experimente

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/index.html http://cms.cern.ch/•Weitere Artikel während der Vorlesung

Lehrbücher:(DESY Bibliothek oder Bibliothek des Instituts für Experimentalphysik in Bahrenfeld)

H.Baer, X. Tata, „Weak Scale Supersymmetry“, 2006 P. Binetruy, “Supersymmetry, Theory, Experiment and Cosmology”, 2006Drees, Godbole, Roy, „Theory and Phenomenology of Sparticles“, 2004G.Kane, „Perspectives on Supersymmetry“, 1998

http://www.desy.de/~schleper/lehre/BSM

http://cms.cern.ch/


1. Übersicht SupersymmetrieSupersymmetrie (SUSY)•Eine Erweiterung des Standard-Modells (SM)

Beinhaltet das SM identisch zum SM bei kleinen Energien ≤ Mweak

•Symmetrie zwische Fermionen und BosonenSUSY Transformation:

Zu jedem Fermion muss es ein Boson geben mit gleicher Ladung, Masse, Wechselwirkung (WW), aber Spin unterschiedlich

z.B. Elektron (Spin ½) Selektron (Spin 0)Photon (Spin 1) Photino (Spin ½)Higgs (Spin 0) Higgsino (Spin ½)

•SUSY verletzt nicht die EichinvarianzSM: Fermionen und Bosonen in getrennten Multipletts

Fermionen: beliebige Massen und MischungswinkelnBosonen: Eichfelder, Massen sind abhängig von Kopplungskonstanten und Higgs-Parameter

SUSY: Bosonen und Fermionen in gleichen Multipletts gleiche WW für SUSY PartnerHoffnung: Erklärung aller Massen/Winkel durch wenige Parameter ?


Supersymmetrie

1/21/2 LeptonenLeptonen (e, (e, ννee, …), …)Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)

11 GluonenGluonenWW±±

ZZ00

Photon (Photon (γγ))

00

22

HiggsHiggs

GravitonGraviton

SpinSpin StandardteilchenStandardteilchen

SleptonenSleptonen (e, (e, ννee, …), …)SquarksSquarks (u, d, …)(u, d, …)

SpinSpinSuperpartnerSuperpartner

00

1/21/2GluinosGluinosWinoWinoZinoZinoPhotinoPhotino ( ( γ γ ))

1/21/2

3/23/2

HiggsinoHiggsino

GravitinoGravitino

~~

~~ ~~~~~~

Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen

Namensgebung: Fermion S-FermionBoson Boson-ino


Das Minimale Supersymmetrische Standard Modell(MSSM)

“… das bessere Standard-Modell …”Minimale Anzahl Teilchen

• 3 Generationen Quarks und Leptonen + Superpartner•Minimale Eichgruppe

• SU(3)C х SU(2)L х U(1)Y mit den 3 bekannten Kopplungskonstanten und Eichbosonen + Superpartnern•Minimaler Higgs-SektorNeu: 2 Higgs Doubletts notwendig wegen Supersymmetrie• 1 Doublett für u,c,t und Neutrinos• 1 Doublett für d,s,b und e,mu, tau• 5 Higgs-Teilchen (8-3=5)

•Supersymmetrie kann nicht exakt sein: “Soft SUSY Breaking”• Masse Elektron = Masse Selektron ?? Selektron hätte längst entdeckt worden sein müssen• Kein bekanntes Teilchen ist SUSY Partner eines Anderen bekannten Teilchens (Quantenzahlen)• Masse der SUSY Partner ist viel größer MSUSY > Mweak

• SOFT SUSY Breaking Parameter: Massen und Mischungen der SUSY Partner

Außerdem: Mischung der Photinos, Zinos, Winos und Higgsinos Neutralinos und CharginosEinfachste Modelle: LSP (lightest SUSY Particle) ist stabil Dark Matter


Superpartners for all SM fields(approximate doubling of physical particle spectrum)

Die Teilchen im MSSM


SUSY Wechselwirkungen: Beispiele

qg~

q~ q

χ01

l~

l

qq~

χ01

l, W±

χ01

Z

χ02

l~ , χ±

2

qq~

g~ q

*q~q

χ02

χ01

Z


2. Gründe für SUSY

• Warum nicht !!!• Einzige mögliche Erweiterung der Poincare Gruppe der speziellen Relativitätstheorie• (Translation, Rotation, Lorenz-Transf., C,P,T, Supersymmetrie)• Tiefere Begründung für Spin ??• Hebt Asymmetrie im SM zwischen Fermionen und Bosonen auf• Führt zur Vereinigung der Wechselwirkungen: GRAND UNIFIED THEORIES (GUTs)• Löst das Hierarchie- Problem des SM• Möglichkeit die Dunkle Materie zu erklären (LSP = leichtestes Supersymmetrisches Teilchen)• Sagt MHiggs < 130 GeV voraus• Ist mit allen experimentellen Resultaten verträglich• Erlaubt Vereinigung mit Gravitation• Ist Grenzwert der Stringtheorie bei “kleinen” Energien

Entdeckung von Supersymmetrie wäre der entscheidende Schritt zur Physik jenseits des SM,ähnlich fundamental wie die Entdeckung der Antimaterie.SUSY ist die bei weitem meist diskutierte und meist akzeptierte mögliche Erweiterung des SM.


2.1 Gründe für SUSY: GUTsGUTs: Grand Unified Theories siehe Vorlesung J. Hallerbeste Erklärung für Ladung der Quarks, Generationen von Quarks&Leptonen,

Auswahl der Eichgruppen

wichtigste Vorhersage: • Vereinigte WW bei hohen Energien Kopplungen sollten gleich sein • Aufspaltung in SM-Gruppen durch spontane Symmetrie Brechung• Kopplungen bei anderen Energien hängen von Quantenkorrekturen ab

Renormierungsgruppengleichungen (RGE) für Massen und Kopplungen

e-

e+

e-

e+ e+

e+

e-e- e-e-

QED: QCD: nicht-abelsch: Gluon Selbst-WW


Renormierung: Laufende KopplungenSeien Q, Q0 zwei Energie-Skalen (typisch ECMS einer Teilchenreaktion)RGE verknüpfen Kopplungen g(Q) mit g(Q0)Niedrigste Ordnung (LO):

Integration über Energien aller Teilchen mit M > QNur Teilchen mit M > Q tragen bei.

LO:

b1 = 4/3 nfg nfg =Anzahl Fermion Generationen

b2 = - 22/3 + 4/3 nfgb3 = - 11 + 4/3 nfg

1/α hängt von log(Q) abUnterschiedliches Vorzeichen für Bosonen und Fermionen


SUSY und GUTsTest der Idee der GUTs:

• Messe α(Q0) bei kleiner Skala Q0 = Mweak• Benutze Theorie (RGE) und

extrapoliere zu großen Skalen Q• Überprüfe Zahlenwerte der α(Q)

bei großer Skala Q

Keine Vereinigung im SMVereinigung, wenn auch SUSY Teilchen

zu den Loops beitragen.α1,2,3 treffen sich bei gleichem Q0

innerhalb von 1 sigma der Fehler.Präzision ~1,5 % (αs)

Zufall ? oder Hinweis auf SUSY + GUTsMSUSY ~ 1 TeVMGUT ~ 2.4 • 1016 GeVα(MGUT) ~ 0.04 = 1 / 25


2.2 Hierarchie Problem und Higgs

A. Extrem großer Unterschied zwischen fundamentalen SkalenMPlanck >> MGUT >> Mweak >> Mstrong

1019 1016 102 10-3 GeVWarum mehrere Skalen, warum so große Skalen- Unterschiede ??Extrapolation zu großen Skalen: Quantenkorrekturen der laufenden Naturkonstanten siehe α(MGUT)

B. Divergenz der Higgs-Masse im SMalle Kopplungen und Massen laufen logarithmisch ~ log(Q/Q0)Einzige Ausnahme im SM: Quantenkorrekturen zur Higgs- Masse (wegen Spin 0)

•Hat das SM Vorhersagekraft ?? Antimaterie, W, Z, top, .... JA•Falls nur SM + Gravitation: SM müsste sich auch bei den höchsten

Energien anwenden lassen (e.g. MPlanck) funktioniert nicht !!


Hierarchie ProblemIm SM:114 ≤ MHiggs < 200 GeVLoop Korrekturen zu MH bis Skala Λ

Fermion Loop:

Boson-Loop: ähnlich, aber mit anderem Vorzeichen (Statistik) und anderen Kopplungskonstanten

Für Λ = MPlanck >> MH,bare ist Korrektur riesig quadratische Divergenz natürliche Higgs Masse wäre ~ MPlanck

Oder MH,bare müsste Loop Korrektur kompensieren damit MH << MPlanckfür alle Ordnungen der Loop-Rechnungen (fine-tuning Problem)

Higgs Konzept ist unphysikalisch bei großen Energien !?!


Higgs constraints

MW = 80.398 ± 0.025 GeV/c2 Mtop = 170.9 ± 1.8 GeV/c2

Electroweak precision meas.: LEP-I final + LEP-II prel.Mtop and MW: new results from Tevatron (Mar 07)


Higgs Mass Constraintsdirekt search e+e- Z H

MH > 114,5 GeVLEP / Tevatron indirect

MH = 76 (+33 -24) GeV (exp., 68%C.L.) MH < 144 GeV (95% C.L.)MH < 188 GeV (95% C.L., incl. direct search)

Neu vom Tevatron: MW = 80.398 ± 0.025 GeV/c2 Mtop = 170.9 ± 1.8 GeV/c2


Hierarchie Problem

Beobachtung: Loop Korrekturen zur Higgs Masse heben sich wegen unterschiedlichen Vorzeichen exakt auf, falls Fermionen und Bosonen gleich häufig sindund gleiche Kopplungen und Massen haben.

Ursprüngliche Motivation für Supersymmetrie

Bei ungleichen Massen:Korrekturen der Form δMH

2 ~ log( | MB2 – MF

2 |)

Differenz der SUSY Massen und SM Massen~ MSUSY ≤ 1 TeV

SUSY löst das Hierarchieproblem( )22

2F2

H /logF8

2G3m vΛ>π

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≤Λ 2

H

22

H m34expm vπ

∞≤Λ≤ )(0 λ


2.3 Dunkle Materie im KosmosJ.Feng, “Dark matter at the Fermi Scale”, http://arxiv.org/astro-ph/pdf/0511/0511043v1.pdf

Teilchenphysik im frühen Universum: Big Bang: hohe Temperaturen hohe ECMS für Teilchenreaktionen

Teilchenphysik

Kosmologie


Evidenz für Dunkle MaterieDark Matter: Nicht leuchtende MaterieEvidenz aus:Expansion des Universums (Supernovae): ΩΛ ΩM

Rotationskurven von Galaxien: ΩDM

Cosmic Microwave Background (CMB): ΩΛ ΩDM

Galaxien-Cluster: Kinematik, X-Rays, Gravitationslinsen: ΩDM

Big Bang Nucleosynthesis: ΩB

M = MatterDM = Dark MatterΛ = kosmol. KonstanteB = Baryonen

•Universum ist nahezu flach •ΩDM = 23 ± 4%•ΩB = 4 ± 0,4%•ΩDM = 73 ± 4%

Großer Teil der Materie leuchtet nicht und ist nicht BaryonischIm SM: Kein bekanntes Teilchen kommt in Frage

(Neutrinos: zu geringer Anteil)In SUSY: LSP


Dunkle Materie in Galaxien

Gravitation ~ 1/r2 Rotationskurven (Keppler)

NeueNeue Form Form unsichtbarerunsichtbarer MaterieMaterie: “ : “ Dark Matter = SUSY Dark Matter = SUSY TeilchenTeilchen ??

Sonnensystem Galaxie NGC6503


Entstehung der Dunklen Materie

Big Bang: (1) Fühes Universum war heiß und dicht:

thermisches Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Vernichtung(2) T < MLSP Anzahl LSP ~ exp(- MLSP/T) Bolzmann Faktor(3) Dichte zu klein: Stöße von LSP-Paaren zu selten konstante Dichte

Dichte der Dark Matter Teilchen (SUSY: LSP)σA =Annihilations- WQv = Geschwindigkeit

α ~ 0,1 schwache KopplungΩDM ~ 23 %

Resultat:100 GeV < MLSP < 1 TeV

MLSP (TeV)


2.4 Theoretische Gründe für SupersymmetrieRelativität und Quantenmechanik: Coleman-Mandula Theorem und Erweiterungen

• Allgemeinste Theorie ist Produkt aus Super-Poincare Symmetrie (SUSY+Poincare)und interner Symmetrie (Eichtheorie)

SUSY löst das Hierarchie- und Fine-tuning Problem: MSUSY~ 1TeVUltraviolet vollständige Theorie

• Einzige Theorie, die Extrapolation zu beliebig hohen Energien erlaubtGravitation

• Lokale Supersymmetrie beinhaltet Gravitation (aber nicht renormierbar) String-Theorie: Punktförmige Teilchen Strings in N>4 Dimensionen

• Einziges bekanntes Konzept, das Quantengravitation beinhalten könnteSUSY ist wichtiges Konzept in String-Theorien

Radiative Elektroschwache Symmetriebrechung• SUSY-GUTs: gleiche Masse m0 für alle Spin-0 Teilchen bei MGUT

laufende Kopplungen und Massen: Higgspotential: λ wird < 0 bei Skala von ~ 100 GeVVorhersage der spontanen Symmetriebrechung

Entkopplung der SUSY-Wechselwirkungen• Beiträge der SUSY Teilchen (für M>>MW) in Loops sehr klein: kaum sichtbare Effekte in Messungen

Higgs Masse wird zu M< 130 GeV vorhergesagt

Experimentell: GUT Kompatibel (Kopplungskonstanten) MSUSY~ 1TeVDunkle Materie: MLSP < 1 TeV











3.3 Feynman Diagramme a: QED

•Gleiche Kopplungskonstante für alle (SUSY)-Teilchen

•Rp ist automatisch erhalten: SUSY_Teilchen nur paarweise


QCD Feynman Diagramme

.


Elektroschwache Feynman Graphen


Elektroschwache Feynman Diagramme


3.4 SUSY Brechung (SOFT)

(i,j = 1,3 Index für Generationen)

Squark Massenz.B.: mQ

2 = 3x3 Matrix, hermitesch6 reelle + 3 Phasen

Slepton und Higgs Massen

Gaugino Massen (M1, M2, M3)z.B. M3 = Gluino Masse (reel)M’: CP Verletzung

qqH, llH Yukawa KopplungenWechselwirkungen Higgs Massen

Bisher: perfekte Fermion-Boson SymmetryExperiment: Massen der SUSY Partner größer als SM Massen

SUSY kann nicht perfekt seinBrechung der Supersymmetrie (ähnlich spontane Symmetrie-Brechung im SMerlaube alle möglichen Massenterme und Kopplungen, die nicht Eichsymmetrie verletzen


Naturkonstanten im allgemeinsten Fall (MSSM):Eich-Sektor: 9 (g1,g2,g3, M1,M2,M3, M1’, M2’,M3’)Higgs-Sektor: 5 (MHu, MHd, b, mu (komplex) )(S)Leptonen, (S)Quarks: 164 (Massenmatrizen, meistens soft SUSY breaking Parameter

Summe MSSM: 178 Standard Model: 19 (ohne Neutrino Massen)

Diese Konstanten bestimmen / parametrisieren alle möglichen experimentellen Ergebnisse

Einschränkungen der Parameter• Experimentelle Resultate

• z.B. Flavour Changing neutral Currents (mu e + gamma)• CP Verletzung

• Fundamentale Prinzipien um Parameter zu verstehen:z.B. Guts, Strings, …• Ursprung der SUSY Brechung• Ursprung der Teilchen• Ursprung der Eichgruppen

Falls gemeinsame Ursachen: Beziehungen zwischen allen MSSM Parametern, z.B.:

MSSM Parameter


Soft SUSY breaking Universality (an der GUT Skala):• FCNC, CP: neue Parameter mischen Generationen nicht

M‘1 = M‘2 = M‘3 =0

• Skalar3 Kopplungen ~ Yukawa-Koppl.

Yukawa Kopplungen ~ Masse der Leptonen, Quarkswichtig nur für 3. Generation: Approximation

GUT: Vereinigung der WW an der GUT Skala• Gauge couplings: α1 = α2 = α3 = αGUT = 0.04

• Gaugino masses: m1/2 = M1 = M2 = M3

GUT: Vereinigung der Skalaren Massen !!!• Sfermion masses: m0

• Higgs Parameters: tan β, mA, μ• Squark/Slepton Mixing: At, Ab, Aτ

3.5 Constrained MSSM und Sparticle-Massen


SUSY breaking modelsmSUGRA: Minimal Supergravity at GUT scale• Unify spin 0 sector: Higgs and sfermions• Unify all trilinear couplings At = Ab = Aτ = A0

• Radiative EWSB only sign of μ• m1/2 , m0 , tan β, sign(μ), A0

• LSP = lightest neutralino

AMSB: anomaly mediated breaking• m3/2 , m0 , tan β, sign(μ)• LSP = lightest neutralino

GMSB: Gauge mediated breaking• M, Λ, N, tan β, sign(μ)• LSP = Gravitino

Gaugino mediated breaking in extra dimens.• vis. – gauginos -- hidden

• m1/2 , Mc, tan β, sign(μ)• LSP = Gravitino

Strings ?

(SM)


2 Higgs Doubletts: wegen SUSY und chirale Anomaly, 8 Freiheitsgrade

Higgs Potential (durch SUSY-Lagrange festgelegt)

Spontane Symmetrie-Brechung: 2 vev

Analyse des Higgs Potentials Masse Z0, W

Freier Parameter GUT Skala: tan β = 1 ?! schwache Skala: tan β > 1 da top-Higgs Kopplung groß

5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H- (+3 Goldstone Bosonen für Masse Z, W)

Higgs Sektor


Higgs Massen

Higgs Parameter: tan β, mA, μ

Higgs Massen:

Leichtestes Higgs:

mit Strahlungskorrekturen zur Higgs Masse:

130 GeV

Falls h ähnliche Eigenschaften wie SM Higgs hat: Grenze LEP: 114,5 > Mh > ~ 200 GeVSUSY sagt Higgs Masse richtig voraus


Neutralino & Chargino Mixing

Neutralino mixing

Chargino mixing

Massen Eigenzustände hängen ab von:• M1, M2, tan β, μ SUSY Massen und Brechung• MZ, sin2θW EWSB Mischung: B,W Z, photon

1,2±χ

2±χ

1±χ

10χ

20χ

40χ

30χ

1,2,3,40χ


RGE evolution of SUSY massesGaugino masses:

Sfermion masses:

Higgs Masses: • mh < 130 GeV• m2

H,A,H± ~ m2A +M2

W

Von der GUT Skala zur Schwachen Skala:Laufende Massen und Kopplungen

z.B.: mSUGRA

1/2GUT

ii m

αα M =


Zusammenfassung: constrained MSSMSM Leptonen, QuarksSUSY Partner: Sleptonen, Squarks5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H- Parameter tan β, mA, μ

4 Neutralinos: Mischungen aus

4 Charginos: Mischungen aus

An der GUT Skala• Vereinigung der Kopplungen (exp)

• Vereinigung der Massen der Spin-0 Teilchen m0

• Vereinigung der Massen der Spin-1/2 Gauginos Spin-an der GUT Skala m1/2Kompliziertes Massenspektrum an schwacher Skala durch Strahlungskorrekturen

• mh < 130 GeV• LSP ist das leichteste Neutralino (Kosmologie: Neutral, kleiner WQ)

1,2,3,40χ

1,2±χ

10χ


mSUGRA masses and decaysMass differences• MSquark >> MLSP

Large ET, Large ETmissmodel independent discovery

• Mslepton close to MLSP

leptons with low ETmodel dependent

Decay patterns• Parameter dependent• Partially long decay chains• Missing LSP• Measure mass differences

SUSY parameter measurements


4. Suche nach SupersymmetrieIndirekte Suche: • Beiträge von SUSY Teilchen in Loops

MSUSY groß kleiner Beitrag zum WQ• Benötigt präzise Experimente mit kleinem SM-WQ

μ e γ, b s γ, g-2Nachteil: Wenn man Abweichung vom SM findet , was ist es ? SUSY ? …?

Direkte Suche: Produktion von SUSY Teilchen an BeschleunigernEichkopplungen dominieren:

Paar-Produktion, genau vorhersagbar, WQ(Masse)Signatur im Experiment:LSP stabil, neutral, keine starke WW LSP ist unsichtbar (wie Neutrino)

Fehlender 4-Impuls goldene Signatur für SUSYschwerere SUSY Teilchen: Lebensdauer ~ 10-23 s nicht meßbar

(Ausnahme: LSP = Gravitino NLSP Lebensdauer groß)

Beobachtung von Zerfälle in SM Teilchen: Peaks in der invarianten Masse• Grenze: Schwerpunktsenergie: LEP: ECMS = 208 GeV


SUSY vertices and decay modes

q

Long decay chaines:

g~

q~ q

χ01

l~

l

qq~

χ01

l, W±

χ01

Z

χ02

l~ , χ±

2

qq~

g~ q

*q~q

χ02

χ01

Z

Jets + ETmiss(often + leptons, W,Z, …)


SUSY benchmark points

Studies of SUSY Benchmark points

Finally: SUSY parameter scan

m0 , m1/2 an der GUT SkalaMassen der SUSY Teilchenan der schwachen Skala


4.1 Susy Suche bei LEP

e+

e-

0χ

+e~

-e~

γ , Z*e+

e- ~l−

~l+

• Number of observed events compatible with SM Expectation

• Scalars : σ ~ β 3/s → need Luminosity to reach kinematic limit

Smuon and stau limits are ~ model-independent

Small DM

10 ~ χll→ 2 acoplanar leptons + missing E OPAL stau event candidate

Main background : WW (well known → subtracted)

LEP: WQ x Luminosität so groß, daß (fast) alle Teilchen bis zu M = ECMS/2 beobachtbar sind


Chargino searches at LEP

γ , Z *e +

e -

χ +

χ −

heavy) are ~( m Large 0 le +

e -

~νχ +

χ −

light) are ~( m Small 0 l

WW → qqqq WW → lνqq WW → lν lν

χχ1100

χχ1100

χχ1100

χχ1100

ll++

ll--

νν

ννχχ11

00

χχ1100

ll++

νν

−−

110*0* χWχWχχ →−+

1100 χχ~ ~ χχ νννν −+−+−+ →→ llll

Main backgrounds (WW, ZZ) can be rejected asking e.g. for a large missing massin final state


LEP Suchen

e+

e-

CMSSM:• sfermions and charginos

excluded for m < 80 … 104 GeV• tan β > 1.4 • MLSP > 47 GeV• Mh > 114.5 GeV

0χ

+e~

-e~

γ ,Z*e+

e- ~l−

~l+

γ , Z*e+

e-

χ +

χ −

e+

e-

~νχ +

χ −

Slepton Paar-Produktion

Chargino Paar-Produktion


LEP

LEP preliminary

Gluino mass:200 GeV , 400 GeV

searches MET 3χχ)fb (2 2Run Tevatron

021

-1

+→ ±+ l

Regions excluded by:1. Theory2. Z width from LEP13. Charginos from LEP4. Sleptons from LEP5. Higgs from LEP6. Stable staus from LEP

Interpretation in MSUGRA: m0 , m1/2 an der GUT Skala


4.2 Susy Suche am LHC

Principal Goals of LHC (J. Ellis)

• Explore a new energy / distance scale resolution 10-19 m

• Look for ‘the’ Higgs bosonStandard Model Higgs / SUSY Higgs

• Look for supersymmetry / extra dimensions, …

• Find something the theorists did not expect


LHC plans

ShutdownMachine checkout

7TeV

Beam setup 25ns ops I Shutdown

Hardware commissioning

7TeV

Machine checkout

7TeV

Beam commissioning

7TeV

43 bunch operation 75ns ops 25ns ops I Shutdown

L ~ 5 x 1030 2.5 x 1031 4 x 1032

III

No beam Beam

Stage I II III

No beam Beam

2008

20091033

1 fb-1 = 120 effective days @ L ~ 1032 cm-2 s-1


LHC plans

Startup• Most major components available• No major problems seen so far • 30 Aug 07 Beam-pipe closed• June 2008 Collisions at 14 TeV

Prospects for LuminosityLow Luminosity period• 2008 1 fb-1 @ L = 1032 cm-2 s-1

• 2009 5 fb-1

• 2010 10 fb-1 @ L = 1033 cm-2 s-1

High Luminosity period• > 2011 100 fb-1 per year

@ L = 1034 cm-2 s-1

Slow startup of luminosity expected• Experiments prepare for

early physics program



Cross sections

Parton Luminosity

Partonic cross section = 10- 3 ….20

qq WW

qq bb, tt

gg bb, tt

10-310-3

10-2

10 gg gg

qq q‘q‘

10 TeV


Parton Luminosity

gg

• qg• gg• qq

Tevatron

qqqg

LHC

LHC / Tevatron: factor 40 for gg H @ MH= 120 GeVfactor 10000 for gg XX @ MX= 0.5 TeV

Ratio LHC / Tevatron:Parton Lumi


Parton densities

• HERA data has major impact on LHC (x > 10-3 )• extrapolation to large Q2 (M2) for LHC

Q2 = M2

x 10-3


Cross Sections

√s

108 Events per sec@1033 cm-2s-1

1000 jets / s (ET>100)200 W /s 50 Z0 /s

1 ttbar / s1 Higgs /min MH=150 GeV

• Huge event rates forStandard Model processes

• Jets >> W, Z, t , H


• Squarks and gluinos produced via strong processes → large cross-section

E.g.:

q~q~

g~

g

q

q

q

αs αs

q~

q~g

• Charginos, neutralinos, sleptons direct production via electroweak processes much smaller rate (produced more abundantly in squark and gluino decays)

E.g. σ ≈ pb mχ ≈ 150 GeVq~q

q’

χ+

χ0

production are dominant SUSY processes at LHC (if accessible)gggqqq ~~ ,~~ ,~~

Sparticle production at LHC

M (GeV) σ (pb) Evts/yr 500 100 106-107

1000 1 104-105 2000 0.01 102-103

from Gianotti


LHC: signal and background

Dominant production of colored sparticles which will decay to leptons, jets + LSP

SUSY signal:jets and leptons with large Pt

+ missing transverse energy(typical e.g. for mSUGRA, GMSB)

BG from W, Z and tt production:need strong rejection ~10-4

Exploit kinematics to maximum extent:mass reconstruction method


Simulation of event in the CMS detector: Low luminosity


m0 = 1000 GeVm1/2 = 500 GeVtan β = 35 μ > 0 A0 = 0

Example :

→ spectacular signatures→ easy to extract SUSY signal

from SM backgrounds at LHC(in most cases …)

CMS

TeV 1~)g~,q~( m


Supersymmetry event simulation

SUSY event: Squark production• ETmiss = 360 GeV• ETjet = 330, 140, 60 GeV

Calorimeter energies

φη


LHC SUSY analysis strategy

1) Inclusive analysis• Jets + ETmiss

First evidenceuse Meff, ETmiss, #jets, event rate

RPestimate squark+gluino mass,

2) Exclusive analysis• check for e, mu, tau, gammas,

Z0, W, top, higgs, heavy stable particleskinematic analysisestimate SUSY masses, BR

3) Higgs mass, SUSY higgs search4) Check consistency at GUT scale

Is it SUSY

g~

b~

b

b

ml

±l

01

~χ

02

~χ±l

~


Example Analysis: Jets + ETmiss

Problem:• ETmiss in QCD events

LM1 Low mass SUSY

• Gluinos: 600 GeV• Squarks: 550 GeV• m0= 60 GeV• m1/2=250 GeV• tan beta=10

Full hadronic channel• several jets + ETmiss• No leptons


SUSY example analysis

QCD events: ETmiss dominated by jet resolutionStudy PTmiss direction w.r.t. jet directionCut on

SUSY simulation QCD simulation

δφ jet1

δφ jet2δφ jet2

δφ jet1


Signal significance

High signal / background ratio• Background uncertainty not too important

Meff = ET + PTmissMeasure of total energyreleased in sparticle decay: ~ MSUSY


Background

Irreducible backgroundZjj ννjj

• Determine backgroundfrom dataZjj μμjj

• Assume same ETmissdistribution


Discovery potential

High mass SUSY: HM1

Low mass SUSY• LM1: 6 pb-1

• Typical: 0.1-1 fb-1

High mass SUSY• Ultimate reach: • Squarks, Gluinos: 2500 GeV


SUSY decays with Z0

LM4: squark/ gluino productiondecays to

before ETmiss cut

after ETmiss cut


SUSY decays with top

LM1

Discovery reach (5 sigma)


SUSY decays with Higgs h bb

• Dominant background to SUSY decaysare other SUSY decay channels

LM5

• Measurement of Higgs mass and BR needs large luminosity !


2-lepton channel: Mass reconstruction

Kawagoe,Nojiri, Polesellohep-ph/0410160

Gjelsten, Miller, Oslandhep-ph/0410303 hep-ph/0511008

Nojiri, SUSY06


Early discovery at LHC ?

Jets + MET gives highest reach(most model-independent)

Lepton signatures are more model-dependent (e.g. a lot of τ’s at large tanβ)


SUSY discovery reach for CMS

• Large discovery potential already in the first year (2008)• Reach at full luminosity: ~ 2 TeV for squark and gluino masses• Interpretation very model dependent !

Discovery reach for squarks/gluinos

Time mass reach

1 month at 1033 ~ 1.3 TeV1 year at 1033 ~ 1.8 TeV1 year at 1034 ~ 2.5 TeVultimate (300 fb-1) ~ 2.5 - 3 TeV


SUSY particle detection

In some scenarios many (not all) SUSY particles can be detectedNo full coverage (squarks/gluinos too heavy)Reguires next machine ?!


4.3 Supersymmetrie: Higgs Suche2 Higgs Doubletts 5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H- Parameter tan β, mA, μ

Leichtestes Higgs Boson h0

Strahlungskorrekturen:

< 130 GeV falls Mtop ungleich Mstop

h0 Zerfälle:h0 bb (~ 90%) oder ττ(wie im SM bei kleinen Higgs Massen)

h0 hat Eigenschaften ähnlich dem SM Higgs BosonGroße tan β

große h0 Massegroße Higgs-bb und Higgs-ττ Kopplung


SUSY Higgs bei LEP

Re-interpretation der SM Higgs Suche:


Supersymmetrie: Higgs Suche am Tevatron

φ0b

b

g

g

g

b

b

φ0

SM HIggs: WQ kleinSUSY Higgs: WQ ~ tan2 β größer bei großen tan β wegen großer Kopplung an b

•Produktion einzelner Higgs bb: QCD Untergrund (gg bb) viel zu hoch

•Assoziierte Produktion: besseres Verhältnis Signal / Untergrund

Suche nach bbb, bbbb oder bττ, bbττ

φ0


H bb von DØ880 pb-1

(mA=120, tanβ=60)

QCD Untergrund erklärt Daten Kein Signal beobachtet

ausgeschlossen Grenze auf tan β vom Tevatron:Sehr große tan β sind ausgeschlossen


MSSM Higgs bosons decaying to ττ

CDF two-cone algorithm reconstruction

Entweder 1 oder 3 Spuren im inneren Konusum Achse (definiert durch Spur pT>6 GeV/c)

Isolations-Konus als jet – veto: keine weitere Spur

m vis = pτ 1

vis + pτ 2

vis + / p T“Visible mass”Variable gegen Untergrund durch Z→ττ

Tau Zerfälle: ca. 17% in eνν, μννRest fast ausschließlich in 1 oder 3 geladene Spuren + π0

großer Jet-Untergrund


“Visible Mass” spectra at CDF

Leichter Überschuß bei 160 GeV im tau Kanal ??


Exclusion in MSSM parameter space

•Erwartete Grenze:statistisch erreichbarwenn es nur das SM gibt

•Beobachtete Grenze:Grenze der tatsächlichen Messung

Unterschied zwischen beiden Grenzen ist Anzeichen einer Abweichung zwischen Daten und SM Erwartung


Results from DØ

Region of CDF excess

Neural network tau ID operates on tau “minijets”

KEIN Überschuß in D0 Daten


Results from DØ

Keine Signifikanz für eine SUSY Higgs Beobachtung bisher bei LEP oder TevatronEinschränkungen auf Bereich mittlerer tanβ


4.4 Präzisionsexperimente und KosmologieLoop Korrekturen durch schwere SUSY Teilchen

Präzision

1. LEP: Strahlungskorrekturen zu ee bb, WW, …• SUSY Teilchen ändern LOOP Korrekturen• SUSY passt etwas besser als SM mit leichtem Higgs

2. μ eγ verboten im SM • Verletzt Leptonzahl-Erhaltung

3. b s γ• stark unterdrückt im SM

4. g-2 des Myonsl~

0χ0χ

l

l

b s

γ

χ±

q~ 5. Dunkle Materie in der Kosmologie• Positive Evidenz mit kleinem Fehler !!• Modellabhängig• MLSP < 500 GeV


g – 2 des MyonsAnomales magnetisches Moment in der Dirac Theorie

Messung:

Vorhersage im SM: Vorhersage SUSY:

Einschränkungen für SUSY Massen

Abweichung vom SM: 2 – 3 Sigma


Präzisionsexperimente und Kosmologie

•B s γ excluded

•gμ-2 favoured

•Dark matter favoured

stau = LSP

stau = LSP stau = LSP

stau = LSP

SUSY bereits deutlich eingeschränkt, aber immer noch sehr viele Möglichkeiten

Benötige direkte Entdeckung bei LHC


Physik an der GUT Skala

LHC + ILC

Bei Entdeckung: Extrapolation der SUSY Massen zu hohen Energien: Test der GUT ?

LHC: low mass point, ~ all particles visible


Summary: Supersymmetry

SupersymmetryLimited by CMS energy and luminosity to Mass (Squarks/gluinos) < 2.5 TeV• Inclusive jets + ETmiss: discoveries• Exclusive: Model determination

Discovery would be a decisive step for physics• weak SUSY GUT• Comparable to anti-matter discovery

Many other extensions of SM studied for LHCfor all QCD produced signatures


5. Zusammenfassung und Ausblick

SM- Theory• U(1) x SU(2) x (SU(3)• Local gauge field theory, EWSB

RenormalizableFree of anomalies

• Predictive power:• W, Z, top, Higgs• running of couplings

• Arbitraryness:• Construction principle• 17 particles, 26 constants

• Incomplete:• Limited at High Energies (>1 TeV)• Hierarchy problem, MH

GUT, SUSY, Gravity, …SUSY: MH, MGUT, Dark matter

Experiment • All (?) data correctly described• Consistent picture of all

interactions below 200 GeVOutstanding success of the SM

• Higgs particle not discovered• No experimental confirmation

of EWSB

• Cosmology: no explanation forDark Matter, Dark Energy

Tension betweenexperiment and theory

Time for a decisive experiment:LHC


Expected LHC SM resultsStandard Model

• PDFs , QCD, ……• δ Mtop ~ 1.5 GeV (theory dominated)

0.5 GeV (experimental)(Tevatron now: 1.7 GeV)

Higgs mass constraintDiscriminates between SM and SUSY ?

Higgs (SM)Luminosity needed for 5 sigma discovery

• MH < 160 GeV @ 10 fb-1

• MH ~ 160 GeV @ 1 fb-1

• MH > 160 GeV @ 3 fb-1

• Higgs mass: ~ 1 % uncertainty• No Higgs found:

new dynamics in WW scattering @ ~1 TeV• How important is the Higgs ?

Nature = Symmetry + Breaking

Fundamental insight intolaws of nature at the TeV Scale


Stand der Physik

Ein Zitat:…it seems probable that most of the grand underlying

principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to be sought chiefly in the

rigorous applications of these principles to all the phenomena which come under our notice.

… An eminent physicist has remarked that the future truths

of Physical Science are to be looked for in the sixth place of decimals.

Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99

Kurz danach: Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons,

Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie, Quantenmechanik, Antimaterie, Eichtheorie, W,Z, Gluon

Bald: Higgs, SUSY


Theorien der Physik

Energie, Temperatur, - Zeit

20072010 ?


Entwicklungen in der Theorie

AlternativenCompositeness von Fermionen: Preonen

• Unwahrscheinlich, denn Radius Elektron < 10-18mUnschärferelation Δx ΔP >1

PPreon > 200 GeV >> 0,5 MeV = Masse Elektron

Oder/und Anthropisches Prinzip ??

Spez. Relatx,t

Spin SUSYSuperspace

Masse & Gravit.Allg.Relat.

Andere WW ?Stringtheorie

Gravitation

SM: U1 x SU2 x SU3

Innere SymmetrienKräfte

Äußere Symmetrien (E,P)Kräfte ?!?

Geometrische Deutung der WW ?

Techni-colour: Higgs ist zusammengesetzt (W,Z auch)

Technipionen: Experimentell ausgeschlossen wegen FCNC


Gründe für SupersymmetrieRelativität und Quantenmechanik: Coleman-Mandula Theorem und Erweiterungen

• Allgemeinste Theorie ist Produkt aus Super-Poincare Symmetrie (SUSY+Poincare)und interner Symmetrie (Eichtheorie)

SUSY löst das Hierarchie- und Fine-tuning Problem: MSUSY~ 1TeVUltraviolet vollständige Theorie

• Einzige Theorie, die Extrapolation zu beliebig hohen Energien erlaubtGravitation

• Lokale Supersymmetrie beinhaltet Gravitation (aber nicht renormierbar) String-Theorie: Punktförmige Teilchen Strings in N>4 Dimensionen

• Einziges bekanntes Konzept, das Quantengravitation beinhalten könnteSUSY ist wichtiges Konzept in String-Theorien

Radiative Elektroschwache Symmetriebrechung• SUSY-GUTs: gleiche Masse m0 für alle Spin-0 Teilchen bei MGUT

laufende Kopplungen und Massen: Higgspotential: λ wird < 0 bei Skala von ~ 100 GeVVorhersage der spontanen Symmetriebrechung

Entkopplung der SUSY-Wechselwirkungen• Beiträge der SUSY Teilchen (für M>>MW) in Loops sehr klein: kaum sichtbare Effekte in Messungen

Higgs Masse wird zu M< 130 GeV vorhergesagt

Experimentell: GUT Kompatibel (Kopplungskonstanten) MSUSY~ 1TeVDunkle Materie: MLSP < 1 TeV


Beschleuniger

Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen

Höhere Energie:AuflösungsvermögenEntdeckungen neuer, schwererTeilchen

Auflösungsvermögen: 10-19m

Proton-Proton:Entdeckungen: W,Z,b, topneu: S-LHC, VLHC

e+e-:Präzision: MZ, MH,SM = QFTneu: ILC (TESLA), CLIC


S-LHC und VLHC

Super-LHC:• Ecms=14 TeV,• Faktor 10 mehr Luminosität• Eeff größer (PDF)Große Teilchenraten/dichten

feinere Segmentierunggrössere Radien

Faktor 10 mehr Auslesekanäle

Neue SpurdetektorenNeue ElektronikNeue DatennahmeNeue Computing MethodenAb 2015 (wird sicher kommen !)

Very Large Hadron Collider:Ecms ~ 50 … 200 TeVProbleme:

•Magnete•Größe des Rings•Teilchendichte Experimente ???

> 20 Jahre Entwicklung


Super - LHC

Higgs couplings

SUSY bis Squark Massen von ca. 3 TeV

Für schwere Higgs:Kopplung ans Higgs = Masse ?

Typisch 10% Präzision für verschiedene TeilchenIst es das SM Higgs ?!

Unterschied zu SUSY Higgs (große tanβ )Elektroschwache Symmetrie Brechung

Higgs Kopplungen


International Linear e+e- Collider (ILC)

Kreisförmige e+e- Beschleuniger• LEP: Ecms=208 GeV, Umfang=27 km• Verlust durch Synchrotron-Strahlung ~ E4

Linearer e+e-Beschleuniger das nächste Großprojekt der TeilchenphysikECMS = 500 – 1000 GeVKonkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA)

Kosten: Länge des Beschleunigers hohe Beschleunigung /MeterDESY: 35 MeV / m Länge ca. 30 km

Luminosität: Strahl nur einmal nutzbar kleine LuminositätDESY: Strahlquerschnitt: 500 nm x 5 nm

Technologie-Entscheidung (2004): DESY Technology:

Supraleitende Kavitäten


Detektor für ILC

Höchste Präzision:•viele Lagen Silicon-Pixel oder•TPC Time Projection chamber•Elektr.magn. Kalorimeter

mit Silizium-Detektorenzur Spur-Rekonstrumktion

•Spur Rekonstruktion einzelner Teilchenauch im Hadron Kalorimeter

R&D extrem anspruchsvollefür Detektoren und Beschleunigerz.B.: ILC Workshop im Juni 2007

mit 700 Teilnehmern


Physik am e+e- Linear Collider

Z0

Energie-Schwelle

Wirkungsqeuerschnitte: ~fbHiggs: e+e- Z H

Ecms > mZ + mH

SUSY: paarweisesleptonen, charginos


Higgs am e+e- ILC

Test des SM:•ZZH Kopplung•WWH Kopplung

Kopplungensollten ~ MZ,MW

sein


ILC Higgs Messungen

Higgs Masse = Recoil- Massee+e- Z H μ μ HBerechne μμ Impulse:Fehlende Masse = MH

Modell-unabhängigerTest der Higgs Produktion

Messe Zerfälle des HVerzweigungsverhältnisseMassen = Kopplungskonstanten ?


Higgs Kopplungen am ILC

Große Genauigkeitfür Test des SM

ZHH Kopplung !


Messung von SUSY Zerfällen am ILC

• Komplexes Massenspektrum:Schlüssel für Brechung derSupersymmetrie und des SM

• Fast ohne UntergrundMessung aller Teilchen mit M< Ecms/2

LHC: Squarks, GluinoILC: Sleptonen, Gauginos, Higgs Argument für CLIC…?


An der GUT Skala…

Physik bei 1016 GeV:

Extrapolation dergemessenen SUSY-Massenzu hohen Energien:

Vereinheitlichung derfundamentalenParameterder Natur: •Kopplungen, •Massen, •Mischungswinkel


CLIC

Neues Beschleunigungskonzept fuer e+e- (CERN)• Drive beam: v ~ c, sehr grosser Teilchenstrom• Erzeugung eines el.mag. Pulses durch drive beam: hohe Felder !• Auskopplung der Energie an e+e- beam

Ecms = 3 TeV, Laenge = 37 kmNoch lange Entwicklungszeit, Konkurrenz zu TESLA ILC ??


Physik bei CLIC

Voller Massenbereich für SUSY !?!

Komplexe Ereignisse, Immer noch viel einfacherals bei LHC


Schlussfolgerungen

Heute: Theorie unvollständig, da zu willkürlichHiggs noch nicht entdecktAlle Messungen stimmen mit SM überein(dunkle Materie, siehe Michelson-Morley)

Durch LHC: Neue Teilchen entdecktNatur der neuen WW unklar ?!

Durch ILC: präzise Messungen des Higgs undder neuen TeilchenSUSY oder nicht ?Extrapolation zur GUT Skala: Gewinn um Faktor 1014

LHC + ILC = fundamental neue Einsicht in die Natur


Entdeckungen bei LHC

Meine persönliche Meinung:

SUSY als theoretisches Konzept ist überzeugend:SUSY Entdeckung schon sehr früh bei LHC möglich, aber nicht garantiert.

Higgs: experimentell deutlich schwierigerEntdeckung dauert 2-3 Jahre… falls es existiert

Überraschungen: durchaus möglich !!! Large extra dimensions, black holes neue WW

“unparticles”


Experimenteller Urknall am LHC ?!

HiggsSupersymmetry

Extra DimensionenSchwarze Löcher

Documents

Physik jenseits des Standard-Modells Supersymmetriedesy.de/~schleper/lehre/BSM/SS_2007/Supersymmetrie.pdf · ÆHiggs Konzept ist unphysikalisch bei großen Energien !?! P. Schleper