M isura di massa delle sparticelle ad LHC

1. Misura di massa delle sparticelle ad LHC Tommaso Lari Università and INFN Milano

2. Supersimmetria a LHC • Tuttora il modello di “Fisica oltre il Modello Standard” piu’ promettente e studiato. • Scenario tipico: produzione di s-particelle colorate (squarks e gluini) che decadono nella s-particella piu leggera (c01). • La massa di tali particelle dovrebbe essere minore di ca. 1 TeV per mantenere una delle principali motivazioni della teoria (stabilizzare la scala elettrodebole senza fine-tuning). • La particella SUSY piu leggera dovrebbe essere stabile e debolmente interagente per spiegare la materia oscura • Tipica segnatura: getti, energia mancante, leptoni. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

3. Cronologia SUSY a LHC • Fase 1 (Ricerche inclusive): Osservare un eccesso di eventi con getti + energia mancante + leptoni, convincersi che sono dovuti a “nuova fisica”. Attualmente: Studiare il potenziale di scoperta SUSY/√SM delle analisi con uno scan dello spazio dei parametri (talk Galanti) • Fase 2 (Spettroscopia SUSY): Ricostruire i decadimenti e le masse delle s-particelle per determinare il meccanismo di rottura di supersimmetria ed i parametri della teoria. Attualmente: Su un punto nelo spazio dei parametri, sviluppare analisi per ricostruire le masse. Le analisi sono (dovrebbero essere) utili in una vasta regione dello spazio dei parametri, e non essere specifiche del modello particolare. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

4. Ricerche inclusive • Maggiori dettagli nel talk di Galanti. • La “Massa efficace”: e’ utile per discriminare SM e SUSY e ha un picco fortemente correlato (almeno in mSUGRA) con la massa delle s-particelle primarie prodotte nella collissione pp. Jets + ETmiss + 0 leptons ATLAS 10 fb-1 Meff=S|pTi| + ETmiss. 10 fb-1 ATLAS T. Lari Misure di massa delle sparticelle

5. Potenziale di scoperta • Per M(SUSY) < 1TeV la scoperta sara’ potenzialmente molto rapida (limitata dal tempo necessario a capire i fondi del MS) T. Lari Misure di massa delle sparticelle

6. Ricerche esclusive • Mi concentrero’ sulle tecniche di ricostruzione per alcuni punti selezionati dello spazio dei parametri mSUGRA: • Punto 5 – ATLAS Physics TDR • Punto 5a - ATL-PHYS-2004-011 Simulazione completa • SPS1a – ATL-PHYS-2004-007 • B (G,H) – CMS NOTE 2004-029 • Le stesse tecniche sono applicabili per molte altre (ma non tutte) scelte dei parametri. • Non pretendero’ di descrivere tutte le possibili analisi per tutti i possibili punti/modelli studiati! (Vedi anche la presentazione di Galanti) T. Lari Misure di massa delle sparticelle

7. Un tipico scenario (mSUGRA) mSUGRA CMS ATLAS ATLAS B WMAP allowed Questi punti sono scelti nella regione dello spazio dei parametri che da’ una densita’ ragionevole (non troppo alta) di materia oscura e a scale SUSY basse (naturalezza, alta sezione d’urto a LHC). All masses/energies in GeV T. Lari Misure di massa delle sparticelle

8. p p ~ c01 ~ ~ ~ q ~ c02 l g q q l l Il decadimento d’oro Il decadimento leptonico del neutralino e’ il tipico punto di partenza per la ricostruzione delle masse ATLAS Physics TDR ATLAS 5 fb-1 FULL SIM e+e- + m+m- 30 fb-1 atlfast Point 5a Point 5 Precisione ottenibile sull’edge con 30 fb-1 : 0.5% Mll (GeV) T. Lari Misure di massa delle sparticelle

9. SUSY ttbar Z+jets Selezione di eventi SUSY Si puo’ far fuori il MS con tagli su getti ed energia mancante. Il fondo MS+SUSY residuo si puo’ sottrarre con le coppie e+ m- + m+ e- ETmiss>50 GeV CMS Punto B 10 fb-1 ETmiss>100 GeV ETmiss>150 GeV 2 b-getti + 2 leptoni SFOS + energia mancante 2 b-getti + 2 leptoni SFOS T. Lari Misure di massa delle sparticelle

10. p p ~ c01 ~ ~ ~ q ~ c02 l g q q l l Ulteriori combinazioni: qll edge ATLAS SPS1a 100 fb-1 The two lepton are combined with one of the two hardest jets (the combination with the smaller invariant mass) T. Lari Misure di massa delle sparticelle

11. p p ~ c01 ~ ~ ~ q ~ c02 l g q q l l Ulteriori combinazioni: ql min ATLAS SPS1a 100 fb-1 When only one qll combination is Below the edge (the ambiguity on the right jet) the two ql combinations (with lower and larger invariant mass) give two further edges. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

12. p p ~ c01 ~ ~ ~ q ~ c02 l g q q l l ql max ATLAS SPS1a 100 fb-1 T. Lari Misure di massa delle sparticelle

13. p p ~ c01 ~ ~ ~ q ~ c02 l g q q l l qll (soglia) ATLAS SPS1a 100 fb-1 ATLAS TDR ll edge Minimum qll invariant mass, from the jet-dilepton combination with the larger invariant mass. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

14. Sparticle Expected precision (100 fb-1) qL 3% 02 6% lR 9% 01 12% ~ ~ ~ ~ Masse Avendo 5 relazioni per quattro masse e’ possibile risolvere le equazioni (forti correlazioni tra I valori delle masse). ATLAS, 100 fb-1 ~ ~ c01 lR ATLAS ~ ~ c02 qL T. Lari Misure di massa delle sparticelle

15. SUSY 2008? Results with detailed simulation ATLAS Point 5a 5 fb-1 ATLAS Point 5a 5 fb-1 ATLAS Point 5a 5 fb-1 llq llq ? llb llb llq threshold ll edge llq edge Si possono ottenere risultati significativi anche con pochi fb-1 La simulazione dettagliata da’ generalmente i risultati attesi dagli studi in simulazione veloce Tre relazioni su quattro masse. Anche l’edge tt e m(qR) possono essere ricostruiti. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

16. Risalire la catena di decadimento Una volta che la massa del c01 e’ conosciuta, e’ possible ottenere l’impulso del c02 usando p(c02) = ( 1-m(c01)/m(ll) ) pll valida per coppie di leptoni con massa invariante vicino all’edge. Il c02 puo’ essere combinato con getti b per ottenere la massa del gluino e dello sbottom: g → bb → bbc02 La combinazione con getti non belli (veto) da’ la massa degli squark udcs (CMS). ~ ATLAS SPS1a 100 fb-1 ~ ~ ~ T. Lari Misure di massa delle sparticelle

17. Gluino e sbottom: ATLAS M(b) Combinazioni corrette. m(g) e m(b) correlati. L’errore dominante viene dall’impulso del c02 ) ATLAS SPS1a 100 fb-1 ~ ~ ~ ~ Bad c02 b combinations (b-jet is from gluino decay) M(bb) T. Lari Misure di massa delle sparticelle

18. Massa del gluino (ATLAS) ATLAS SPS1a 300 fb-1 ATLAS SPS1a Massa del gluino. Dipendenza dalla massa della LSP. Quella che e’ realmente misurata e’ la differenza: m(g)-0.99m(c01) = (500.0 ± 6.4) GeV with 300 fb-1 Error is statistical plus (dominant) 1% uncertainty on jet energy scale Central value 10 GeV lower than nominal because b-jet energy underestimated T. Lari Misure di massa delle sparticelle

19. Massa dello sbottom ~ ~ m(c02 bb) and m(c02 b) strongly correlated : use the difference ATLAS SPS1a 300 fb-1 ATLAS SPS1a 300 fb-1 ~ Con 300 fb-1 potrebbe essere possibile separare i picchi dei due b ~ ~ ~ ~ m(g)-m(b2) = (70.6 ± 2.6) GeV m(g)-m(b1) = (103.3 ± 1.8) GeV T. Lari Misure di massa delle sparticelle

20. Squarks e sbottom (CMS) ~ ~ m(b) = (500 ± 7) GeV m(q) = (536 ± 10) GeV CMS Point B 1 fb-1 CMS Point B 10 fb-1 ~ Anche CMS assume notam(c01), rispetto alla quale m(q) varia linearmente (ma il coefficiencte e’ 1.6 mentre ATLAS trova ~1.0). m(c01) domina l’errore su m(q) e m(b) – gli errori di cui sopra sono in realta’ sulla differenza delle masse e sono solo statistici. ~ ~ T. Lari Misure di massa delle sparticelle

21. Risoluzione sulle masse Solo errori statistici (in GeV) normalizzati a 10 fb-1 Notare che sono Due punti diversi! L’errore sulla massa del neutralino e’ il contributo dominante all’incertezza sulle altre masse (il linear collider aiuterebbe…). Ad alta statistica l’errore sulla scala di energia dei getti (1%) diventa dominante sull’errore statistico. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

22. Right-handed squark ~ qR does not couple to Wino c01 is nearly a Bino c02 is nearly a Wino ~ ~ ~ qR → q c01 ~ ATLAS SPS1a 30 fb-1 Il momennto trasverso dei due getti piu’ energetici e’ combinato con il momento trasverso mancante come segue: ~ ~ Il massimo e’ m(qR)-m(c01) ~ ~ m(qR)-m(c01) = (424.2 ± 10.9) GeV ~ ~ Note: can reconstruct lL→ l c01 with same technique ~ ~ m(lL)-m(c01) = (106.1 ± 1.6) GeV T. Lari Misure di massa delle sparticelle

23. (Alcune) Altre misure co2  tt c01 tt Diventa dominante ad alti tanb, sopprimendo il decadimento in elettroni/muoni. Si puo’ comunque trovare l’endpoint con una precisione di alcuni GeV. ATLAS SPS1a 30 fb-1 co2  h c01 bb c01 Il picco di massa invariante bb puo’ essere ricostruito ed usato per ulteriori combinazioni di masse. Massa invariantett T. Lari Misure di massa delle sparticelle

24. Altri punti dello spazio dei parametri Large scalar mass: heavy squarks and sleptons. Relatively low gaugino mass. Low m, large Higgsino/Bino mixing  low density of relic neutralinos, compatible with WMAP limits. Limiti piu’ stringenti sull’Higgs e misure piu’ precise della densita’ di materia oscura hanno notevolmente ridotto lo spazio dei parametri disponibile. Di recente alcuni punti meno facili sono stati studiati da ATLAS nelle code ad alte scale di massa della regione mSUGRA compatibile con la densita’ di Materia Oscura. M1/2 (GeV) Coannichilation Focuspoint Punti studiati M0 (GeV) No EWSB solution T. Lari Misure di massa delle sparticelle

25. Spettro di massa Squark e sleptoni pesanti ( ~3 TeV). Higgs pesanti - eccetto h Gluino leggero (830 GeV), decade in chargini e neutralini Focuspoint Coannichilazione Caratteristica peculiare: sleptoni vicini in massa ai due neutralini piu’ leggeri: leptoni lenti nel decadimento delco2 . T. Lari Misure di massa delle sparticelle

26. xET > 200 GeV • 2 SF/OS leptons Pt1>20 GeV, Pt2>10 GeV • >1 jets with Pt>150 GeV • OS/OF subtraction = Punto di coannichilazione ATLAS ATLAS SPS1a 100 fb-1 E’ possibile ricostruire anche l’edgett e diversi edge leptone-getti. Questo punto verra’ studiato anche con la simulazione dettagliata nei prossimi mesi (10 fb-1), verificando le prestazioni di ricostruzione di leptoni lenti. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

27. Focus-point Decadimento diretto c0n → c01 ll I due edges danno m(c0n)-m(c01). Altre informazioni potrebbero essere ottenute dalla forma della distribuzione e dal rapporto (BRs) tra i diversi decadimenti. Il picco della massa efficace e la ricostruzione della massa invariante tb e tt da g c tb (tt) permettono di stimare la massa del gluino. Z0→ ll c02 → c01 ll Z→ll c03 → c01 ll Anche questo punto verra’ studiato con la simulazione dettagliata. c03 → c01 ll T. Lari Misure di massa delle sparticelle

28. Conclusioni • Per punti favorevoli dello spazio dei parametri, LHC sara’ in grado di ricostruire gran parte dello spettro SUSY con precisioni dell’ordine di alcuni GeV. Diverse (combinazioni di) masse potrebbero essere ottenute gia’ nel primo anno. • La maggior parte degli studi fino ad ora sono stati fatti con la simulazione veloce. L’enfasi si sta spostando sulla simuazione dettagliata, lo studio degli effetti sistematici, la stima dei fondi a partire dai dati, la migrazione delle analisi nello stesso framework usato per la ricostruzione….. • Nuove regioni dello spazio dei parametri, che rispettano I nuovi limiti sulla densita’ di materia oscura, stanno venendo studiati. T. Lari Misure di massa delle sparticelle

29. Backup slides T. Lari Misure di massa delle sparticelle