HSCP a CMS PD Software meeting 7 ottobre 2008 aneguzzo

1. HSCP a CMS PD Software meeting 7 ottobre 2008 a.meneguzzo

2. Interesse a Heavy Stable Charged Particle a CMS • Vedremo che varie teorie prevedono HSCP. • HSCP sono individuate rispetto altre particelle da un basso valore di Beta: misurando Beta si riesce a ottenere con opportune selezioni il segnale (se c’e’) con fondo nullo a una luminosita’ integrata relativamente bassa . Quindi se ci sono, sono processi che permettono di vedere nuova fisica nel ~primo anno di funzionamento o ad escluderla.

3. Risultati finali di simulazione e analisi ( trigger e ricostruzione )di HSCP in CMS ( CMS_AN note 2007/049) • Zero background con la selezione prevista • plots della luminosita’ integrata per avere 3 eventi : i.e. luminosita’ int. necessaria per la scoperta o l’esclusione al 95% C.L. [ blu,rosso, verde,giallo diversi tipi HSCP] The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) needed for 3 events, for the four signal models (gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. The right plot shows the mass distribution with 1 fb−1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tau and 800 GeV stop).

4. HSCP Outline  Introduzione  Modelli  Trigger and skimming  Misura di Beta  Selezione degli Eventi  Risultati  Conclusione

5. HSCP : Introduzione  Cosa sono le Heavy Stable Charged Particles?  Pesanti m>= 100 GeV  Stabili = vita media lunga= ctau > alcuni metri  Cariche = elettricamente or coloured (formano adroni)  Come si possono rivelare?  essendo pesanti sono anche lente  si misura il tempo di volo e/o si misura la ionizzazione

6. Modelli Particelle HSCP sono possibili in Teorie Supersimmetriche (sleptoni o particelle con carica forte che adronizzano formando mesoni, barioni e glueballs), oppure con extra_dimensioni -> KaluzaKlein-parita ; uno o piu’ nuovi stati esistono e posseggono un nuovo numero quantico globale conservato o quasi conservato . Il piu’ leggero di questi nuovi stati sarebbe stabile grazie a questo nuovo numero quantico A LHC potrebbero essere prodotte in coppia o potrebbero essere il prodotto finale di decadimento di particelle esotiche piu’ pesanti . CMS ha svolto un’analisi su HSCP previste da quattro modelli che individuano e caratterizzano le diverse possibili HSCP •  Modelli con particelle di tipo leptonico : •  KaluzaKlein tau resonance (m=300 GeV) •  stau (m=156 -247 GeV) in GMSB (Gauge Mediated Supersymmetry Breaking ) Produzione del stau procede direttamente via un fotone virtuale o Z oattraverso la produzione di particelle supersimmetriche( principalmente squarks e coppie di gluini) •  Modelli con adroni: •  long lived stop in some SUSY scenarios (m=[130,800] GeV) •  long lived gluino in split SUSY (m=[200,1500] GeV)

7. Eventi generati e loro simulazione in CMS  Sono stati prodotti eventi secondo le teorie (Kansas Uni, Louvain)  codice sviluppato ad hoc per avere adronizzazionee interazione di gluino/stop nel rivelatore. Barrel

8. Topologia degli eventi ricostruiti in CMS  Anche se KK tau e GMSB stau hanno simile comportamento leptonico le proprieta’ cinematiche dell’evento sono abbastanza diverse  La distribuzione in Eta e’ piu’ “centrale” per stau  L’energia trasversa mancante Et e’ quasi zero per il KK scenario e alta per quello GMSB . ETA BETA Pt ETmiss

9. Topologia degli eventi ricostruiti in CMS Gluino R_hadron BETA Stop BETA Gluino e Stop prevedono masse piu’ alte e quindi a parita’ di momento velocita’ piu’ bassa Stau kk BETA

10. Analisi: le strategie di individuazione del segnale rispetto al fondo sono diverse a seconda delle caratteristiche delle HSCP Ci si aspettano tre segnature leggermente differenti; • Leptoniche ,massive e cariche (stau, KK-tau) • Charge flipping e massive (stop, gluino) • Charge flipping ,massive ma sempre prodotte da neutre (gluino se prodotte come gluon-gluino ball) Nel secondo e terzo scenario la misura del momento ottenuta dal sistema dei muoni non e’ attendibile a causa del cambiamento di carica. Nel secondo caso pero’ il momento puo’ essere misurato dal tracker. Il terzo e’ piu’ complicato. Tutte sono pero’ massive e quindi hanno Beta minore di 1

11. Trigger :si sono individuati e studiati due tipi di triggers HLT utili per la ricerca di HSCP. • (Il trigger HLT seleziona e smista gli eventi in appositi Primary Datasets per le successive analisi) •  Muon HLT path (selezione di dati PDMuon) •  le particelle HSCP (anche gli adroni) arrivano al rivelatore dei muoni e hanno la possibilita’ di essere ricostruite come muoni nel trigger L1A e in HLT •  in questo caso e’ l‘HSCP stessa che triggera, il trigger e’ meno dipendente dalla simulazione(nel GMSB anche SM muons sono presenti nell’evento) • MET HLT path (selezione PDJetMET-jets E mancante ) •  nei modelli analizzati c’e’ sempre una MET elevata associata alla produzione di HSCP •  ma MET e’ piu’ dipendente dal modello e dalla sua simulazione Selezione  per muoni PD: muoni con Pt > 45 GeV  per jetMet PD: o high pt muon(s) o dE/dX tracks & hight pt

12. p p p p p p 25 ns Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (1) • In CMS il rivelatore Barrel dei muoni e’ costituito da camere a Drift. • Esse forniscono la posizione e la direzione di ogni traccia ma hanno anche la funzione di orologio. Infatti forniscono con precisione anche il tempo di passaggio della particella. La precisione di questi orologi e’ migliore del BunchXcrossing (25ns) a livello di decisione di trigger di primo livello L1A e dell’ordine del ns – con opportuna selezione sulla qualita’ delle tracce- al momento della ricostruzione. Gli orologi saranno sincronizzati in modo che particelle standard (Beta=1) diano nell’orologio di ogni camera tempo=0; particelle con Beta<1 daranno tempi piu’ lunghi consentendo la misura di Beta.La distribuzione in ETA degli HSCP e’ centrale quindi il Barrel Mu e’ il rivelatore maggiormente coinvolto ,assieme al tracker, per la rilevazione di HSCP. • A Padova ci sono valide competenze per entrambi questi rivelatori Il fondo a HSCP si calcola dall’analisi di segnali di fisica SM.

13. Misura del tempo nelle camere DT e quindi di BETA (2) Se una particella arriva a una camera e il tempo di arrivo non e’ quello di una particella con Beta=1 cioe’ tc , i tempi di deriva sono maggiorati di una quantita’ dt Pull distribution for SM muons

14. Beta from dE/dX in the silicon tracker layers [m] Gev dove K e’ una costante calcolabile dai dati delle masse ricosctruite a 500 Gev stop

15. Misure di beta associate Standard model Background HSCP No background Le due misure di Beta - camere DT e dE/dx- sono correlate per il segnale e scorrelate per il fondo come ci aspetta. Uno studio dettagliato sulle code delle distribuzioni puo’ essere ottenutocon i dati di muoni SM , per esempio con le Z > mu mu

16. HSCP risultati finali di simulazione di HSCP in CMS e analisi ( trigger e ricostruzione ) • Zero background con la selezione prevista • Luminosita’ per avere 3 eventi che possono essere considerate quelle necessarie per la scoperta o l’esclusione al 95% C.L. The left plot shows the integrated luminosity (pb−1) needed for 3 events, for the four signal models (gluino full circles, stop full squares, KK tau empty circles, stau empty squares) as a function of HSCP mass. The right plot shows the mass distribution with 1 fb−1 for two of the lowest cross section samples (300 GeV KK tau and 800 GeV stop).

17. References HSCP :Theory [1] G.F. Giudice and R. Rattazzi, Phys. Rept. 322 (1999) 419, hepph/9801271. [2] B.C. Allanach et al., Eur. Phys. J. C25 (2002) 113, hepph/0202233. [3] F.E. Paige et al., hep-ph/0312045. [4] B.C. Allanach et al., “The Snowmass Points and Slopes: Benchmarks for SUSY Searches”, CERN-TH/2002- 020, hep-ph/0202233. [5] S. Raby, Phys. Rev. D 56 2852 (1997). [6] G. Giudice and A. Romanino, Nucl.Phys. B 699, 65 (2004). [7] K. Cheung and W. Y. Keung, Phys. Rev. D 71, 015015 (2005). [8] P. Gambino, G.F. Giudice, P. Slavich, Nucl. Phys. B 726 35 (2005). [9] T. Sjostrand, Comput. Phys. Commun. 82, 74 (1994). [10] M. Byrne, Phys. Lett. B 583, 309 (2004). [11] T. Appelquist, H. C. Cheng and B. A. Dobrescu, Phys.Rev. D 64, 035002 (2001) [12] T. Appelquist and H. Yee, Phys.Rev. D 67, 055002 (2003)

18. Back up slides

19. Dt~106s ?? (~1 “mese”) Assumiamo:  Ldt  1032107= 1039 =1fb-1 La “fase iniziale” “Pilot run” (450 + 450 GeV ): luminosita’ istantanea: L= 1024 – 1027 cm-2s-1, (1  1 bunches) 1028 – 1029 cm-2s-1, (43 43 bunches) 1030 – 1032 cm-2s-1, (156 156 bunches) ?? Assumiamo:  Ldt  1028106= 1034 =10nb-1 Primo “Physics run” (2008, 7 + 7 TeV ?!): luminosita’ istantanea: L= 1031 – 1032 cm-2s-1, (75 ns bunch spacing) 1032 – 1033 cm-2s-1, (25 ns “ “) Dt~107s ?? (1 “anno”)

20. Pythia 6.2 ,‘default’ min.bias settings ~ 2000 m, pT>10 GeV ( 200 a ECM=900) Ldt= 12 nb-1 Wmn La “fase iniziale” # ev / 10 nb-1

25. In general,electrically charged stable states are incompatible with the dark matter problem, and also colored particles are strongly constrained. For this reason, models that address the dark-matter problem include, in general, a stable uncharged weakly interacting massive particle and may also have, in addition, one or more higher-lying meta-stable charged states.