Physik jenseits des Standard-Modells Supersymmetrie

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1 Physik jenseits des Standard-Modells Supersymmetrie Peter Schleper Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg Sommer 2007 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 1

2 Supersymmtrie: Gliederung 1. Übersicht Supersymmetrie 2. Gründe für Supersymmetrie 2.1 Grand Unification 2.2 Hierarchie- Problem und Higgs Masse 2.3 Dunkle Materie im Kosmos 2.4 Theoretische Gründe 3. Theorie & Phänomenologie 3.1 Formalismus 3.2 Das Minimale Supersymmetrische Standard Model 3.3 Feynman Diagramme 3.4 SUSY Brechung 3.5 Constrained MSSM und Sparticle-Massen 4. Suchen nach Supersymmetrie 4.1 SUSY Suche bei LEP 4.2 SUSY Suche bei LHC 4.3 SUSY HIggs Suche 4.4 Präzisionsexperimente 6. Zusammenfassung und Ausblick P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 2

3 Literatur Vorlesung: Frei verfügbar im WEB: S. Martin, A Supersymmetry Primer, hep-ph/ D.I. Kazakov, Beyond the Standard Model, CERN school LHC im Detail: WWW Seiten der ATLAS und CMS Experimente 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, 2006 Drees, Godbole, Roy, Theory and Phenomenology of Sparticles, 2004 G.Kane, Perspectives on Supersymmetry, 1998 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 3

4 1. Übersicht Supersymmetrie Supersymmetrie (SUSY) Eine Erweiterung des Standard-Modells (SM) Beinhaltet das SM identisch zum SM bei kleinen Energien M weak Symmetrie zwische Fermionen und Bosonen SUSY 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 Eichinvarianz SM: Fermionen und Bosonen in getrennten Multipletts Fermionen: beliebige Massen und Mischungswinkeln Bosonen: Eichfelder, Massen sind abhängig von Kopplungskonstanten und Higgs-Parameter SUSY: Bosonen und Fermionen in gleichen Multipletts gleiche WW für SUSY Partner Hoffnung: Erklärung aller Massen/Winkel durch wenige Parameter? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 4

5 Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Namensgebung: Fermion S-Fermion Boson Boson-ino Spin Standardteilchen 1/2 Leptonen (e, ν e, ) Quarks (u, d, ) 1 Gluonen W ± Z 0 Photon (γ)( Superpartner Sleptonen (e, ~ ν ~ e, ) Squarks (u, ~ ~ d, ) Gluinos Wino Zino Photino ( γ ~ ) Spin 0 1/2 0 Higgs Higgsino 1/2 2 Graviton Gravitino 3/2 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 5

6 Das Minimale Supersymmetrische Standard Modell (MSSM) Minimale Anzahl Teilchen 3 Generationen Quarks und Leptonen + Superpartner Minimale Eichgruppe SU(3) C х SU(2) L х U(1) Y Minimaler Higgs-Sektor das bessere Standard-Modell mit den 3 bekannten Kopplungskonstanten und Eichbosonen + Superpartnern Neu: 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 M SUSY > M weak SOFT SUSY Breaking Parameter: Massen und Mischungen der SUSY Partner Außerdem: Mischung der Photinos, Zinos, Winos und Higgsinos Neutralinos und Charginos Einfachste Modelle: LSP (lightest SUSY Particle) ist stabil Dark Matter P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 6

7 Die Teilchen im MSSM Superpartners for all SM fields (approximate doubling of physical particle spectrum) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 7

8 SUSY Wechselwirkungen: Beispiele ~ l l ~ q q χ 0 1 ~ q l, W ~ ± q q, χ ± 2 l χ 0 1 χ 0 2 Z ~ g ~ q χ 0 1 q ~ g q ~ q * Z χ 0 2 q χ 0 1 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 8

9 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 M Higgs < 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. P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 9

10 2.1 Gründe für SUSY: GUTs GUTs: Grand Unified Theories siehe Vorlesung J. Haller beste 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 QED: QCD: nicht-abelsch: Gluon Selbst-WW e - e + e - e - e + e - e + e + e - e - P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 10

11 Renormierung: Laufende Kopplungen Seien Q, Q 0 zwei Energie-Skalen (typisch E CMS einer Teilchenreaktion) RGE verknüpfen Kopplungen g(q) mit g(q 0 ) Niedrigste Ordnung (LO): Integration über Energien aller Teilchen mit M > Q Nur Teilchen mit M > Q tragen bei. LO: b 1 = 4/3 n fg n fg =Anzahl Fermion Generationen b 2 = - 22/3 + 4/3 n fg b 3 = /3 n fg 1/α hängt von log(q) ab Unterschiedliches Vorzeichen für Bosonen und Fermionen P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 11

12 Test der Idee der GUTs: Messe α(q 0 ) bei kleiner Skala Q 0 = M weak Benutze Theorie (RGE) und extrapoliere zu großen Skalen Q Überprüfe Zahlenwerte der α(q) bei großer Skala Q SUSY und GUTs Keine Vereinigung im SM Vereinigung, wenn auch SUSY Teilchen zu den Loops beitragen. α 1,2,3 treffen sich bei gleichem Q 0 innerhalb von 1 sigma der Fehler. Präzision ~1,5 % (α s ) Zufall? oder Hinweis auf SUSY + GUTs M SUSY ~ 1 TeV M ~ 2.4 GUT 1016 GeV α(m GUT ) ~ 0.04 = 1 / 25 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 12

13 2.2 Hierarchie Problem und Higgs 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. M Planck ) funktioniert nicht!! A. Extrem großer Unterschied zwischen fundamentalen Skalen M Planck >> M GUT >> M weak >> M strong GeV Warum mehrere Skalen, warum so große Skalen- Unterschiede?? Extrapolation zu großen Skalen: Quantenkorrekturen der laufenden Naturkonstanten siehe α(m GUT ) B. Divergenz der Higgs-Masse im SM alle Kopplungen und Massen laufen logarithmisch ~ log(q/q 0 ) Einzige Ausnahme im SM: Quantenkorrekturen zur Higgs- Masse (wegen Spin 0) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 13

14 Hierarchie Problem Im SM: 114 M Higgs < 200 GeV Loop Korrekturen zu M H bis Skala Λ Fermion Loop: Boson-Loop: ähnlich, aber mit anderem Vorzeichen (Statistik) und anderen Kopplungskonstanten Für Λ = M Planck >> M H,bare ist Korrektur riesig quadratische Divergenz natürliche Higgs Masse wäre ~ M Planck Oder M H,bare müsste Loop Korrektur kompensieren damit M H << M Planck für alle Ordnungen der Loop-Rechnungen (fine-tuning Problem) Higgs Konzept ist unphysikalisch bei großen Energien!?! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 14

15 Higgs constraints Electroweak precision meas.: LEP-I final + LEP-II prel. M top and M W : new results from Tevatron (Mar 07) M W = ± GeV/c 2 M top = ± 1.8 GeV/c 2 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 15

16 Higgs Mass Constraints direkt search e + e - Z H M H > 114,5 GeV LEP / Tevatron indirect M H = 76 (+33-24) GeV (exp., 68%C.L.) M H < 144 GeV (95% C.L.) M H < 188 GeV (95% C.L., incl. direct search) Neu vom Tevatron: M W = ± GeV/c 2 M top = ± 1.8 GeV/c 2 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 16

17 Hierarchie Problem Beobachtung: Loop Korrekturen zur Higgs Masse heben sich wegen unterschiedlichen Vorzeichen exakt auf, falls Fermionen und Bosonen gleich häufig sind und gleiche Kopplungen und Massen haben. Ursprüngliche Motivation für Supersymmetrie Bei ungleichen Massen: Korrekturen der Form δm H2 ~ log( M B2 M F2 ) 2 2 4π v Λ m H exp 2 3m H Differenz der SUSY Massen und SM Massen ~ M SUSY 1 TeV SUSY löst das Hierarchieproblem 0 λ ( Λ ) m 3G 2 8π 2 2 ( Λ v ) 2 F H > F log / 2 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 17

18 2.3 Dunkle Materie im Kosmos J.Feng, Dark matter at the Fermi Scale, Teilchenphysik im frühen Universum: Big Bang: hohe Temperaturen hohe E CMS für Teilchenreaktionen Teilchenphysik Kosmologie P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 18

19 Evidenz für Dunkle Materie Dark Matter: Nicht leuchtende Materie Evidenz aus: Expansion des Universums (Supernovae): Ω Λ Ω M Rotationskurven von Galaxien: Ω DM M = Matter DM = Dark Matter Λ = kosmol. Konstante B = Baryonen Cosmic Microwave Background (CMB): Ω Λ Ω DM Galaxien-Cluster: Kinematik, X-Rays, Gravitationslinsen: Ω DM Big Bang Nucleosynthesis: Ω B Universum ist nahezu flach Ω DM = 23 ± 4% Ω = B 4 ± 0,4% Ω DM = 73 ± 4% Großer Teil der Materie leuchtet nicht und ist nicht Baryonisch Im SM: Kein bekanntes Teilchen kommt in Frage (Neutrinos: zu geringer Anteil) In SUSY: LSP P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 19

20 Dunkle Materie in Galaxien Gravitation ~ 1/r 2 Rotationskurven (Keppler) Sonnensystem Galaxie NGC6503 Neue Form unsichtbarer Materie: : Dark Matter = SUSY Teilchen? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 20

21 Entstehung der Dunklen Materie Big Bang: (1) Fühes Universum war heiß und dicht: thermisches Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Vernichtung (2) T < M Anzahl LSP ~ exp(- M LSP LSP /T) Bolzmann Faktor (3) Dichte zu klein: Stöße von LSP-Paaren zu selten konstante Dichte Dichte der Dark Matter Teilchen (SUSY: LSP) σ A =Annihilations- WQ v = Geschwindigkeit M LSP (TeV) α ~ 0,1 schwache Kopplung Ω DM ~ 23 % Resultat: 100 GeV < M LSP < 1 TeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 21

22 2.4 Theoretische Gründe für Supersymmetrie Relativität 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: M SUSY ~ 1TeV Ultraviolet vollständige Theorie Einzige Theorie, die Extrapolation zu beliebig hohen Energien erlaubt Gravitation Lokale Supersymmetrie beinhaltet Gravitation (aber nicht renormierbar) String-Theorie: Punktförmige Teilchen Strings in N>4 Dimensionen Einziges bekanntes Konzept, das Quantengravitation beinhalten könnte SUSY ist wichtiges Konzept in String-Theorien Radiative Elektroschwache Symmetriebrechung SUSY-GUTs: gleiche Masse m 0 für alle Spin-0 Teilchen bei M GUT laufende Kopplungen und Massen: Higgspotential: λ wird < 0 bei Skala von ~ 100 GeV Vorhersage 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) M SUSY ~ 1TeV Dunkle Materie: M LSP < 1 TeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 22

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32 3.3 Feynman Diagramme a: QED Gleiche Kopplungskonstante für alle (SUSY)-Teilchen Rp ist automatisch erhalten: SUSY_Teilchen nur paarweise P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 32

33 QCD Feynman Diagramme. P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 33

34 Elektroschwache Feynman Graphen P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 34

35 Elektroschwache Feynman Diagramme P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 35

36 3.4 SUSY Brechung (SOFT) Bisher: perfekte Fermion-Boson Symmetry Experiment: Massen der SUSY Partner größer als SM Massen SUSY kann nicht perfekt sein Brechung der Supersymmetrie (ähnlich spontane Symmetrie-Brechung im SM erlaube alle möglichen Massenterme und Kopplungen, die nicht Eichsymmetrie verletzen (i,j = 1,3 Index für Generationen) Squark Massen z.b.: m Q2 = 3x3 Matrix, hermitesch 6 reelle + 3 Phasen Slepton und Higgs Massen Gaugino Massen (M1, M2, M3) z.b. M3 = Gluino Masse (reel) M : CP Verletzung qqh, llh Yukawa Kopplungen Wechselwirkungen Higgs Massen P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 36

37 MSSM Parameter Naturkonstanten im allgemeinsten Fall (MSSM): Eich-Sektor: 9 (g1,g2,g3, M1,M2,M3, M1, M2,M3 ) Higgs-Sektor: 5 (M Hu, M Hd, 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.: P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 37

38 3.5 Constrained MSSM und Sparticle-Massen 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, Quarks wichtig nur für 3. Generation: Approximation GUT: Vereinigung der WW an der GUT Skala Gauge couplings: α 1 = α 2 = α 3 = α GUT = 0.04 Gaugino masses: m 1/2 = M 1 = M 2 = M 3 GUT: Vereinigung der Skalaren Massen!!! Sfermion masses: m 0 Higgs Parameters: tan β, m A, μ Squark/Slepton Mixing: A t, A b, A τ P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 38

39 SUSY breaking models msugra: Minimal Supergravity at GUT scale Unify spin 0 sector: Higgs and sfermions Unify all trilinear couplings A t = A b = A τ = A 0 Radiative EWSB only sign of μ m 1/2,m 0, tan β, sign(μ), A 0 LSP = lightest neutralino AMSB: anomaly mediated breaking m 3/2,m 0, 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 m 1/2,M c, tan β, sign(μ) LSP = Gravitino Strings? (SM) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 39

40 Higgs Sektor 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 Z 0, W Freier Parameter GUT Skala: tan β = 1?! schwache Skala: tan β > 1 da top-higgs Kopplung groß 5 Higgs Teilchen: h, H, A 0, H +, H - (+3 Goldstone Bosonen für Masse Z, W) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 40

41 Higgs Massen Higgs Parameter: tan β, m A, 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 GeV SUSY sagt Higgs Masse richtig voraus P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 41

42 Neutralino & Chargino Mixing Massen Eigenzustände hängen ab von: M 1, M 2,tanβ, μ SUSY Massen und Brechung M Z, sin 2 θ W EWSB Mischung: B,W Z, photon Neutralino mixing 0 χ 1,2,3,4 0 χ 4 Chargino mixing χ ± 1,2 0 χ 2 0 χ 1 0 χ 3 ± χ 2 ± χ 1 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 42

43 Von der GUT Skala zur Schwachen Skala: Laufende Massen und Kopplungen RGE evolution of SUSY masses Gaugino masses: z.b.: msugra α M i = α i GUT m 1/2 Sfermion masses: Higgs Masses: m h < 130 GeV m 2 H,A,H± ~ m 2 A +M2 W P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 43

44 Zusammenfassung: constrained MSSM SM Leptonen, Quarks SUSY Partner: Sleptonen, Squarks 5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H- Parameter tan β, m A, μ χ 4 Neutralinos: Mischungen aus 1,2,3,4 χ 4 Charginos: Mischungen aus 1,2 An der GUT Skala Vereinigung der Kopplungen (exp) Vereinigung der Massen der Spin-0 Teilchen m 0 Vereinigung der Massen der Spin-1/2 Gauginos Spin-an der GUT Skala m 1/2 Kompliziertes Massenspektrum an schwacher Skala durch Strahlungskorrekturen m h < 130 GeV LSP ist das leichteste Neutralino 0 ± 0 χ 1 (Kosmologie: Neutral, kleiner WQ) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 44

45 msugra masses and decays Mass differences M Squark >> M LSP Large ET, Large ETmiss model independent discovery M slepton close to M LSP leptons with low ET model dependent Decay patterns Parameter dependent Partially long decay chains Missing LSP Measure mass differences SUSY parameter measurements P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 45

46 4. Suche nach Supersymmetrie Indirekte Suche: Beiträge von SUSY Teilchen in Loops M SUSY groß kleiner Beitrag zum WQ Benötigt präzise Experimente mit kleinem SM-WQ μ e γ, b s γ, g-2 Nachteil: Wenn man Abweichung vom SM findet, was ist es? SUSY?? Direkte Suche: Produktion von SUSY Teilchen an Beschleunigern Eichkopplungen 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 SUSY schwerere SUSY Teilchen: Lebensdauer ~ s nicht meßbar (Ausnahme: LSP = Gravitino NLSP Lebensdauer groß) Beobachtung von Zerfälle in SM Teilchen: Peaks in der invarianten Masse Grenze: Schwerpunktsenergie: LEP: E CMS = 208 GeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 46

47 SUSY vertices and decay modes ~ l l ~ q q χ 0 1 ~ q l, W ~ ± q q, χ ± 2 l χ 0 1 χ 0 2 Z ~ g ~ q χ 0 1 q ~ g q ~ q * Z χ 0 2 q χ 0 1 Long decay chaines: Jets + ETmiss (often + leptons, W,Z, ) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 47

48 SUSY benchmark points m 0, m 1/2 an der GUT Skala Massen der SUSY Teilchen an der schwachen Skala Studies of SUSY Benchmark points Finally: SUSY parameter scan P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 48

49 4.1 Susy Suche bei LEP e + e - ~ γ,z * ~ l + ~ l e + e - 0 χ ~ + e ~ - e LEP: WQ x Luminosität so groß, daß (fast) alle Teilchen bis zu M = E CMS /2 beobachtbar sind 0 l l χ 1 2 acoplanar leptons + missing E OPAL stau event candidate Main background : WW (well known subtracted) Small DM 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 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 49

50 Chargino searches at LEP ~ Large m 0 ( l are e + γ,z * heavy) χ + ~ Small m0 ( l are light) e + ~ ν χ + e - χ χ χ W χ W χ χ + + * 0 * χ e - l χ ~ ~ + ν l ν l νχ + 0 l νχ 0 WW qqqq WW lνqq WW lν lν χ 0 χ 0 χ 0 1 l ν ν l + ν χ 1 0 χ 1 0 χ 1 0 l - Main backgrounds (WW, ZZ) can be rejected asking e.g. for a large missing mass in final state P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 50

51 LEP Suchen e + e - Slepton Paar-Produktion ~ l + e + γ,z * ~ l e - 0 χ ~ + e ~ - e Chargino Paar-Produktion e + e - γ,z * χ + e + χ e - ~ ν χ + χ CMSSM: sfermions and charginos excluded for m < GeV tan β > 1.4 M LSP > 47 GeV M h > GeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 51

52 LEP LEP preliminary Gluino mass: 200 GeV, 400 GeV Regions excluded by: 1. Theory 2. Z width from LEP1 3. Charginos from LEP 4. Sleptons from LEP 5. Higgs from LEP 6. Stable staus from LEP -1 Tevatron Run 2 (2fb ) χ + 0 χ 3l ± METsearches Interpretation in MSUGRA: m 0, m 1/2 an der GUT Skala P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 52

53 4.2 Susy Suche am LHC Principal Goals of LHC (J. Ellis) Explore a new energy / distance scale resolution m Look for the Higgs boson Standard Model Higgs / SUSY Higgs Look for supersymmetry / extra dimensions, Find something the theorists did not expect P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 53

54 LHC plans 1 fb -1 = 120 effective L ~ cm -2 s -1 L ~ 5 x x x Hardware commissioning 7TeV Machine checkout 7TeV Beam commissioning 7TeV Stage I II III 43 bunch operation 75ns ops 25ns ops I Shutdown No beam Beam 2009 III Shutdown Machine checkout 7TeV Beam setup 25ns ops I Shutdown No beam Beam P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 54

55 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 Luminosity Low Luminosity period fb L = cm -2 s fb fb L = cm -2 s -1 High Luminosity period > fb -1 per L = cm -2 s -1 Slow startup of luminosity expected Experiments prepare for early physics program P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 55

56 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 56

57 Cross sections Parton Luminosity Partonic cross section = gg gg gg bb, tt 10-2 qq bb, tt 10-3 qq q q 10 TeV 10-3 qq WW P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 57

58 Parton Luminosity Parton Lumi Ratio LHC / Tevatron: LHC qg gg qq gg qg qq Tevatron LHC / Tevatron: factor 40 for gg M H = 120 GeV factor for gg M X = 0.5 TeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 58

59 Parton densities Q 2 = M 2 HERA data has major impact on LHC (x > 10-3 ) extrapolation to large Q2 (M2) for LHC x 10-3 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 59

60 Cross Sections 10 8 Events per 33 cm -2 s jets / s (ET>100) 200 W /s 50 Z 0 /s 1 ttbar / s 1 Higgs /min M H =150 GeV s Huge event rates for Standard Model processes Jets >> W, Z, t, H P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 60

61 Sparticle production at LHC E.g.: from Gianotti Squarks and gluinos produced via strong processes large cross-section q q α s α s q ~ g q ~ g q q ~ q ~ g ~ M (GeV) σ (pb) Evts/yr Charginos, neutralinos, sleptons direct production via electroweak processes much smaller rate (produced more abundantly in squark and gluino decays) q E.g. q ~ χ + σ pb m χ 150 GeV q χ 0 q ~~ q, qg ~~, gg ~ ~ production are dominant SUSY processes at LHC (if accessible) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 61

62 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 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 62

63 Simulation of event in the CMS detector: Low luminosity P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 63

64 Example : m 0 = 1000 GeV m 1/2 = 500 GeV tan β = 35 μ > 0 A 0 = 0 m ( ~ q, ~ g) ~ 1TeV CMS spectacular signatures easy to extract SUSY signal from SM backgrounds at LHC (in most cases ) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 64

65 Supersymmetry event simulation SUSY event: Squark production ETmiss = 360 GeV ETjet = 330, 140, 60 GeV Calorimeter energies φ η P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 65

66 ~ g LHC SUSY analysis strategy b 1) Inclusive analysis Jets + ETmiss First evidence use Meff, ETmiss, #jets, event rate R P estimate squark+gluino mass, 2) Exclusive analysis check for e, mu, tau, gammas, Z0, W, top, higgs, heavy stable particles kinematic analysis estimate SUSY masses, BR b ~ b ~ χ 0 2 l m ~ l ± l ~ χ ± 0 1 3) Higgs mass, SUSY higgs search 4) Check consistency at GUT scale Is it SUSY P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 66

67 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 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 67

68 SUSY example analysis QCD events: ETmiss dominated by jet resolution Study PTmiss direction w.r.t. jet direction Cut on δφ jet2 SUSY simulation δφ jet2 QCD simulation δφ jet1 δφ jet1 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 68

69 Signal significance Meff = ET + PTmiss Measure of total energy released in sparticle decay: ~ MSUSY High signal / background ratio Background uncertainty not too important P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 69

70 Background Irreducible background Zjj ννjj Determine background from data Zjj μμjj Assume same ETmiss distribution P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 70

71 Discovery potential High mass SUSY: HM1 Low mass SUSY LM1: 6 pb -1 Typical: fb -1 High mass SUSY Ultimate reach: Squarks, Gluinos: 2500 GeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 71

72 SUSY decays with Z 0 LM4: squark/ gluino production decays to before ETmiss cut after ETmiss cut P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 72

73 SUSY decays with top LM1 Discovery reach (5 sigma) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 73

74 SUSY decays with Higgs h bb LM5 Dominant background to SUSY decays are other SUSY decay channels Measurement of Higgs mass and BR needs large luminosity! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 74

75 2-lepton channel: Mass reconstruction Kawagoe, Nojiri, Polesello hep-ph/ Gjelsten, Miller, Osland hep-ph/ hep-ph/ Nojiri, SUSY06 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 75

76 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) P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 76

77 SUSY discovery reach for CMS Discovery reach for squarks/gluinos Time mass reach 1 month at ~ 1.3 TeV 1 year at ~ 1.8 TeV 1 year at ~ 2.5 TeV ultimate (300 fb -1 ) ~ TeV Large discovery potential already in the first year (2008) Reach at full luminosity: ~ 2 TeV for squark and gluino masses Interpretation very model dependent! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 77

78 SUSY particle detection In some scenarios many (not all) SUSY particles can be detected No full coverage (squarks/gluinos too heavy) Reguires next machine?! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 78

79 4.3 Supersymmetrie: Higgs Suche 2 Higgs Doubletts 5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H- Parameter tan β, m A, μ Leichtestes Higgs Boson h 0 Strahlungskorrekturen: < 130 GeV falls M top ungleich M stop h 0 Zerfälle: h 0 bb (~ 90%) oder ττ (wie im SM bei kleinen Higgs Massen) h 0 hat Eigenschaften ähnlich dem SM Higgs Boson Große tan β große h 0 Masse große Higgs-bb und Higgs-ττ Kopplung P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 79

80 SUSY Higgs bei LEP Re-interpretation der SM Higgs Suche: P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 80

81 Supersymmetrie: Higgs Suche am Tevatron SM HIggs: WQ klein SUSY Higgs: WQ ~ tan 2 β größer bei großen tan β wegen großer Kopplung an b b g g g φ 0 φ 0 b b φ 0 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 P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 81

82 H bb von DØ 880 pb -1 QCD Untergrund erklärt Daten Kein Signal beobachtet (m A =120, tanβ=60) ausgeschlossen Grenze auf tan β vom Tevatron: Sehr große tan β sind ausgeschlossen P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 82

83 MSSM Higgs bosons decaying to ττ Tau Zerfälle: ca. 17% in eνν, μνν Rest fast ausschließlich in 1 oder 3 geladene Spuren + π 0 großer Jet-Untergrund CDF two-cone algorithm reconstruction Entweder 1 oder 3 Spuren im inneren Konus um Achse (definiert durch Spur p T >6 GeV/c) Isolations-Konus als jet veto: keine weitere Spur Visible mass Variable gegen Untergrund durch Z ττ m vis = p vis τ 1 + p τ 2 vis + / p T P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 83

84 Visible Mass spectra at CDF Leichter Überschuß bei 160 GeV im tau Kanal?? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 84

85 Exclusion in MSSM parameter space Erwartete Grenze: statistisch erreichbar wenn es nur das SM gibt Beobachtete Grenze: Grenze der tatsächlichen Messung Unterschied zwischen beiden Grenzen ist Anzeichen einer Abweichung zwischen Daten und SM Erwartung P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 85

86 Results from DØ Neural network tau ID operates on tau minijets KEIN Überschuß in D0 Daten Region of CDF excess P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 86

87 Results from DØ Keine Signifikanz für eine SUSY Higgs Beobachtung bisher bei LEP oder Tevatron Einschränkungen auf Bereich mittlerer tanβ P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 87

88 4.4 Präzisionsexperimente und Kosmologie Loop 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 Myons b ~ 5. Dunkle Materie in der Kosmologie q γ χ ± s Positive Evidenz mit kleinem Fehler!! Modellabhängig M LSP < 500 GeV 0 χ 0 χ ~ l l l P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 88

89 g 2 des Myons Anomales magnetisches Moment in der Dirac Theorie Messung: Vorhersage im SM: Vorhersage SUSY: Einschränkungen für SUSY Massen Abweichung vom SM: 2 3 Sigma P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 89

90 Präzisionsexperimente und Kosmologie B s γ excluded g μ -2 favoured stau = LSP stau = LSP Dark matter favoured SUSY bereits deutlich eingeschränkt, aber immer noch sehr viele Möglichkeiten Benötige direkte Entdeckung bei LHC stau = LSP stau = LSP P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 90

91 Physik an der GUT Skala Bei Entdeckung: Extrapolation der SUSY Massen zu hohen Energien: Test der GUT? LHC: low mass point, ~ all particles visible LHC + ILC P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 91

92 Summary: Supersymmetry Supersymmetry Limited 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 LHC for all QCD produced signatures P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 92

93 5. Zusammenfassung und Ausblick SM- Theory U(1) x SU(2) x (SU(3) Local gauge field theory, EWSB Renormalizable Free 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, M H GUT, SUSY, Gravity, SUSY: M H, M GUT, Dark matter Experiment All (?) data correctly described Consistent picture of all interactions below 200 GeV Outstanding success of the SM Higgs particle not discovered No experimental confirmation of EWSB Cosmology: no explanation for Dark Matter, Dark Energy Tension between experiment and theory Time for a decisive experiment: LHC P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 93

94 Expected LHC SM results Standard Model PDFs, QCD, δ M top ~ 1.5 GeV (theory dominated) 0.5 GeV (experimental) (Tevatron now: 1.7 GeV) Higgs mass constraint Discriminates between SM and SUSY? Higgs (SM) Luminosity needed for 5 sigma discovery M H < fb -1 M H ~ fb -1 M H > fb -1 Higgs mass: ~ 1 % uncertainty No Higgs found: new dynamics in WW ~1 TeV How important is the Higgs? Nature = Symmetry + Breaking Fundamental insight into laws of nature at the TeV Scale P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 94

95 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, Kurz danach: Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie, Quantenmechanik, Antimaterie, Eichtheorie, W,Z, Gluon Bald: Higgs, SUSY P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 95

96 Theorien der Physik 2010? 2007 Energie, Temperatur, - Zeit P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 96

97 Entwicklungen in der Theorie Äußere Symmetrien (E,P) Kräfte?!? Spez. Relat x,t Masse & Gravit. Allg.Relat. Geometrische Deutung der WW? Andere WW? Stringtheorie Spin SUSY Superspace Gravitation Innere Symmetrien Kräfte SM: U1 x SU2 x SU3 Alternativen Compositeness von Fermionen: Preonen Unwahrscheinlich, denn Radius Elektron < m Unschärferelation Δx ΔP >1 P Preon > 200 GeV >> 0,5 MeV = Masse Elektron Techni-colour: Higgs ist zusammengesetzt (W,Z auch) Technipionen: Experimentell ausgeschlossen wegen FCNC Oder/und Anthropisches Prinzip?? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 97

98 Gründe für Supersymmetrie Relativität 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: M SUSY ~ 1TeV Ultraviolet vollständige Theorie Einzige Theorie, die Extrapolation zu beliebig hohen Energien erlaubt Gravitation Lokale Supersymmetrie beinhaltet Gravitation (aber nicht renormierbar) String-Theorie: Punktförmige Teilchen Strings in N>4 Dimensionen Einziges bekanntes Konzept, das Quantengravitation beinhalten könnte SUSY ist wichtiges Konzept in String-Theorien Radiative Elektroschwache Symmetriebrechung SUSY-GUTs: gleiche Masse m 0 für alle Spin-0 Teilchen bei M GUT laufende Kopplungen und Massen: Higgspotential: λ wird < 0 bei Skala von ~ 100 GeV Vorhersage 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) M SUSY ~ 1TeV Dunkle Materie: M LSP < 1 TeV P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 98

99 Beschleuniger Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen Höhere Energie: Auflösungsvermögen Entdeckungen neuer, schwerer Teilchen Proton-Proton: Entdeckungen: W,Z,b, top neu: S-LHC, VLHC e+e-: Präzision: M Z, M H,SM = QFT neu: ILC (TESLA), CLIC Auflösungsvermögen: m P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 99

100 S-LHC und VLHC Super-LHC: Ecms=14 TeV, Faktor 10 mehr Luminosität E eff größer (PDF) Große Teilchenraten/dichten feinere Segmentierung grössere Radien Faktor 10 mehr Auslesekanäle Very Large Hadron Collider: Ecms ~ TeV Probleme: Magnete Größe des Rings Teilchendichte Experimente??? Neue Spurdetektoren Neue Elektronik Neue Datennahme Neue Computing Methoden Ab 2015 (wird sicher kommen!) > 20 Jahre Entwicklung P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 100

101 Super - LHC Higgs Kopplungen SUSY bis Squark Massen von ca. 3 TeV Higgs couplings Für schwere Higgs: Kopplung ans Higgs = Masse? Typisch 10% Präzision für verschiedene Teilchen Ist es das SM Higgs?! Unterschied zu SUSY Higgs (große tanβ ) Elektroschwache Symmetrie Brechung P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 101

102 International Linear e + e - Collider (ILC) Kreisförmige e+e- Beschleuniger LEP: E cms =208 GeV, Umfang=27 km Verlust durch Synchrotron-Strahlung ~ E 4 Linearer e+e-beschleuniger das nächste Großprojekt der Teilchenphysik E CMS = GeV Konkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA) Kosten: Länge des Beschleunigers hohe Beschleunigung /Meter DESY: 35 MeV / m Länge ca. 30 km Luminosität: Strahl nur einmal nutzbar kleine Luminosität DESY: Strahlquerschnitt: 500 nm x 5 nm Technologie-Entscheidung (2004): DESY Technology: Supraleitende Kavitäten P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 102

103 Detektor für ILC Höchste Präzision: viele Lagen Silicon-Pixel oder TPC Time Projection chamber Elektr.magn. Kalorimeter mit Silizium-Detektoren zur Spur-Rekonstrumktion Spur Rekonstruktion einzelner Teilchen auch im Hadron Kalorimeter R&D extrem anspruchsvolle für Detektoren und Beschleuniger z.b.: ILC Workshop im Juni 2007 mit 700 Teilnehmern P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 103

104 Physik am e+e- Linear Collider Z 0 Energie-Schwelle Wirkungsqeuerschnitte: ~fb Higgs: e+e- Z H E cms > m Z + m H SUSY: paarweise sleptonen, charginos P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 104

105 Higgs am e+e- ILC Test des SM: ZZH Kopplung WWH Kopplung Kopplungen sollten ~ M Z,M W sein P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 105

106 ILC Higgs Messungen Higgs Masse = Recoil- Masse e + e - Z H μ μ H Berechne μμ Impulse: Fehlende Masse = M H Modell-unabhängiger Test der Higgs Produktion Messe Zerfälle des H Verzweigungsverhältnisse Massen = Kopplungskonstanten? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 106

107 Higgs Kopplungen am ILC Große Genauigkeit für Test des SM ZHH Kopplung! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 107

108 Messung von SUSY Zerfällen am ILC Komplexes Massenspektrum: Schlüssel für Brechung der Supersymmetrie und des SM Fast ohne Untergrund Messung aller Teilchen mit M< E cms /2 LHC: Squarks, Gluino ILC: Sleptonen, Gauginos, Higgs Argument für CLIC? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 108

109 An der GUT Skala Physik bei GeV: Extrapolation der gemessenen SUSY-Massen zu hohen Energien: Vereinheitlichung der fundamentalenparameter der Natur: Kopplungen, Massen, Mischungswinkel P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 109

110 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 km Noch lange Entwicklungszeit, Konkurrenz zu TESLA ILC?? P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 110

111 Physik bei CLIC Komplexe Ereignisse, Immer noch viel einfacher als bei LHC Voller Massenbereich für SUSY!?! P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 111

112 Schlussfolgerungen Heute: Theorie unvollständig, da zu willkürlich Higgs noch nicht entdeckt Alle Messungen stimmen mit SM überein (dunkle Materie, siehe Michelson-Morley) Durch LHC: Neue Teilchen entdeckt Natur der neuen WW unklar?! Durch ILC: präzise Messungen des Higgs und der neuen Teilchen SUSY oder nicht? Extrapolation zur GUT Skala: Gewinn um Faktor LHC + ILC = fundamental neue Einsicht in die Natur P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 112

113 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 schwieriger Entdeckung dauert 2-3 Jahre falls es existiert Überraschungen: durchaus möglich!!! Large extra dimensions, black holes neue WW unparticles P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 113

114 Experimenteller Urknall am LHC?! Higgs Supersymmetry Extra Dimensionen Schwarze Löcher P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 114