Teilchenphysik mit höchstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC) 5. Februar 2008 Richard Nisius (MPP München)

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1 eilchenphysik mit höchstenergetischen Beschleunigern (evatron und LHC Gravity modifications from extra dimensions 6659 p=+d -dimensional brane -dimensional brane // open string closed string Minkowski + dimensions Extra dimension(s perp. to the brane d extra dimensions V5: Andere Erweiterungen des Standard Modells 5. Februar 8 Richard Nisius (MPP München nisius@mppmu.mpg.de U München, WS 7/8, S. Bethke und R. Nisius

2 Vorlesungsthemen. Einführung: Stand der eilchenphysik eilchenphysik: offene Fragen und Projekte..7. Hadronenbeschleuniger: evatron und LHC..7. eilchendetektoren an evatron und LHC (I eilchendetektoren an evatron und LHC (II rigger, Datennahme und Computing Ereignisgeneratoren und Detektor Simulation QCD, Jets, Strukturfunktionen Standard Modell ests..7. CP-Verletzung op-quark Physik Suche nach dem Higgs-Boson Supersymmetrie..8. Ausblick & Zukunftsprojekte Andere Erweiterungen des Standard Modells 5..8 S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

3 Die Suche nach dem Unbekannten Generelle Überlegungen W LeptoQuarks Der Phasenraum des Unentdeckten ist immens groß. Die Möglichkeiten neuer heorien müssen durch die Forderung nach potentieller Beobachtbarkeit eingeschränkt werden. Akzeptable heorien enthalten im Niederenergielimit das Standard Modell, sind nicht im Konflikt mit existierenden Messungen und sagen neue Ereignisklassen voraus. Experimentelle Strategien?? e Little Higgs Extra Dimensionen Z echnicolor Exklusiv: Man nehme ein bestimmtes Modell, simuliere das Signal, studiere den Untergrund, prepariere Phasenraum mit gutem S, feiere die Entdeckung oder B bestimme Ausschlussgrenzen als Funktion der Modellparameter. Inklusiv: Man prepariere potentiell interessante Phasenraumbereiche, (high p t Bereiche des Standard Modells, invariante Massenspektren, suche nach Abweichungen vom Standard Modell, interpretiere die Daten im Rahmen verschiedener Modelle. Bei der Suche nach Physik jenseits des SM werden beide Strategien verfolgt. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

4 Modellunabhängige Suche exklusiver Endzustände Liste aller untersuchten opologien Normierte Abweichungen Number of Events! "#$%& ' ( * +, /. * /. * +,. /.,*. /. * 567. /. 8 9 :, *6; -. /, *. / -. *6; 567 < 9 : --. /., =, --. / -., > -. / --., * -. /. * - - /. * +,. /. * +, +? / j τ ; 567 < 9 : /.,* > / -.-,*6;+ / -.? * 567. / :., *. /. * --.- /. *. /. *. / -. *. /. 567 < 9 : * : -. / -. * >. / -- * +,. /. 9 : *6; 567 < -. /. * > 6;. / -- * >. / --.- * =,. /.- * =,6;. /. * =, =? -.- /. > -. / * 567. / - < 9 :. * > /. *6; 567. / : * > +, - -- / * > 6; -. / --.- * > / -. * =,6; /.- * =, =? -. /. 9 : * =, - -. /. * / -. 7 < +, -. /. > 6; /.- >.- /.- *. / < 9 :. * > -. / -. * +, /. +? *6; 567 < 9 : - /. *6; :. / -. * >. /. * > -. /. +, * > 6;. /. * =,6;. / --. * =, > - -. /. 6; * =, > -. /.- * =, =?. /. * =, -. / -.! "#$%& '(,* -. /.,? -. / -.,.- /. 567 <. / 9 : : /.- * :. /. * 567 < 9 :. /. * :. / * > -. /. > -. /. * 56 7 < 9 :. /.- * : - -. /. *6; 567 < 9 :. /. *>. /., *6; -. / -., *. /.,*.- /.,. /. +, +?. /. / / / > +, -.. > 6; -..- =, , =, +? /. =,6; - - /. =,6;+. /.? =,>. /. =,> 6;. /. =, =?6; -. /. =, =?>. /. =, =? - -. / * > -. /. * > 6;. /. * +,. / -. *6; 567 < 9 : -.- /.- * > /. * > +, - - /.- * > 6; -. / -. * =,. / -.- * =, +?. /. * =,6;+? -. /.- * =,6; -. /. * =, >. /. 6; * =, >. / -.- * =, =? -. /., * - -. / -., *6; /., * +? --. / -., * > -. /., >. /, * - - / -., *. /. +?, * +,. /., *6; / -., * > - -. /.-, +?. / -., +, --. /.,6; / -.,6;+? /.,6;+, -. / -. CDF Run II Preliminary (97 pb! "#$%& '(, > 6; /, =?6;. /., =,6; - -. / -., =? -. /.,* - / -.,* > -. /.,* +,. /.,* +? - -. /.,*6; -. / -.,*> 6;. /,* =?6; -.- / -.,* =?. /.,.?* /?* /?*6; CDF Run II Data /, -.,.,?*,?+ Other, - - / /?6; -.?> - -.?* Herwig tt- :.% -., / -, /., / -.?*6; -?* Pythia > γ j :.%., / --., /.. Pythia bj :.7%.,? /. * / < 9 : Pythia : jj : 95.9%. * / -. * / -. * 56 7 < 9 : /. * : -. /.- *6; 56 7 < 9 : / --. *> /. * =,6;.- / * =,. / > -. /.- * /. < 9 : * : -. /. *6; 567 < 9 : -. /. *>.- / -.- *=,6;.- /. * =,. /. +, - -. /. > -. /. > - -. /.- 6; =,. /. =,6; -.- /. * 567 < 9 :. /. * :. / * > - -. /. * +, - -. / -. *6; 567 < 9 :. / -. * >. /. * >. / 6; * =,6; /. * =, /., *6;. /., *6; /.,6;. /.,*6; /,?*. /.,? /.- Schlechteste Verteilung im Kanal größter Ratenabweichung 6 8 M(τ +,j,j (GeV Vista Final States 8 6 CDF Run II Preliminary (97 pb Rate σ Entries Underflow Overflow Vista Distributions CDF Run II Preliminary (97 pb Entries 686 Form Identifikation isolierter Objekte: e, µ, τ, γ, Jet, b-jet mit p t > 7 GeV. Insgesamt werden exklusive Endzustände mit 686 Verteilungen untersucht. Simulation des vollen Standard Modell Untergrunds plus Korrekturfaktoren. χ -Vergleich von Raten und Verteilungen, wobei eine Wahrscheinlichkeit kleiner als Promille eine Entdeckung bedeutet. σ overflow Es wurden keine signifikanten Abweichungen gefunden. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

5 Number of Events Suche nach Abweichungen im Bereich hoher ransversalimpulse Die Verteilung mit der größten Abweichung CDF Run II Preliminary (97 pb b b P =.55 CDF Run II data Pythia jj : 8% (SM,d=(95,99 Pythia bj : 8% Pythia γ j :.% Herwig tt :.% Other (GeV 69 p - - Annahme: Neue Physik befindet sich bei hohen ransversalimpulsen studiere die Σp t Verteilung. Kombiniere e und µ Endzustände, nehme nur opologien mit gerader Anzahl Jets. Suche nach p t,i mit maximaler Abweichung in N für Σp t > Σp t,i mittels der Poissonwahrscheinlichkeit P dafür dass das SM N Ereignisse zu liefert. Resultat: p t,i = 69GeV. Nehme Pseudoexperimente aus SM und bestimme P, dass das SM etwas signifikanteres in dieser Verteilung lieferte. Dies ergibt hier P =.55% Die Wahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung der Anzahl der untersuchten Verteilungen ist aber bereits P = 6%. Auch hier wurden keine signifikanten Abweichungen gefunden. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 5

6 est der Sensitivität der Suche Die t t opologie ohne t t Ereignisse Die Ereignistopologie W b b q q ist durch die t t Produktion dominiert ist. Die Wahrscheinlichkeit eine signifikantere Abweichung vom Standard Modell zu finden ist 9%. Wenn die t t Produktion im Standard Modell vernachlässigt wird, fällt die Wahrscheinlichkeit eine signifikantere Abweichung zu finden auf. % Es existiert ein Signal. Das op-quark Signal wäre bei dieser Analyse entdeckt worden. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 6

7 Compositeness - Suche nach angeregten Elektronen Feynman-Diagramm Die invariante ee Masse Die invariante e Masse Events / 5 GeV Data DY ee DY ττ WW/WZ/ZZ incl. ttbar incl. Multijet DØ. fb 5 6 m(ee (CC/CC [GeV] Events / GeV DØ. fb m(e γ [GeV] Annahme: Produktion angeregter Elektronen, e, in einer -Fermion-Wechselwirkung mit Standard Modell Zerfall des e eγ. Der WQS ist proportonal zur Compositenessskala Λ. Der Untergrund kommt haupsächlich aus der Drell-Yan Reaktion: p p γ /Z eeγ. Suche nach isolierten e e γ im Endzustand mit p t,e / p t,e / p t,γ > 5 / 5 / 5 GeV. N Daten = 59, N SM = 9 6 Ereignisse plus zusätzlichem Signal mit m e = GeV. Die Signalregion zeigt keinerlei Überhöhung. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 7

8 Compositeness - die Ausschlussgrenzen σ (pp e*e eeγ [fb] 5 σ (Λ = m (GM DØ. fb CI e* σ CI (Λ = m e* σ (Λ = ev CI σ CI (Λ = ev σ CI (Λ = 5 ev DØ obs. limit DØ exp. limit CDF obs. limit Grenzen auf σ BR 6 8 [GeV] m e* 6 8 m e* [GeV] Die ausgeschlossenen Werte hängen sehr stark von den Modellparametern ab. Der ausgeschlossene Bereich reicht von Λ = 6 ev bei kleinen Massen, m e, für das angeregte Elektron, bis zu m e > 796 GeV bei einer Skala von Λ = ev. Λ [ev] Auch hier wurde kein Signal gefunden. 6 5 Die Λ m e Ebene DØ. fb pp ee* e* eγ excluded 95% CL S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 8

9 Suche nach Skalaren Leptoquarks der. Generation ransversalimpuls des µ Invariante Masse des LQ Die Ausschlussgrenzen Entries / GeV DØ Run II Preliminary, fb ALPGEN (Z µµ+jets ALPGEN Wjets inclusive PYHIA tt inclusive QCD Background DAA (.5 fb PYHIA Signal (M = GeV, β =.5 Entries / GeV DØ Run II Preliminary, fb ALPGEN (Z µµ+jets ALPGEN Wjets inclusive PYHIA tt inclusive QCD Background DAA (.5 fb PYHIA Signal (M = GeV, β =.5 σ (pb.5.. β =.5 DØ Run II Preliminary, fb NLO σ th σ th LO σ th GeV BR (Q = M LQ BR error (Q = M LQ 95% CL σ limit 95% CL σ limit BR (Q = M LQ observed expected. GeV Leading Muon p (GeV Reconstructed Leptoquark Invariant Mass M (GeV LQ,reco Scalar Leptoquark Mass (GeV Die Ladungssumme einer Familie verschwindet, z.b. Σ (Q e + Q νe + Q d + Q u. Dies muss eine tiefere Bedeutung haben. In vielen Grand Unified heories (GU sind Quarks und Leptonen deswegen in gemeinsamen Multiplett angeordnet, und es werden gebundene Lepton-Quark-Zustände vorhergesagt, die LeptoQuarks (LQ. QCD s-kanal Produktion via g LQLQ µc ν µ s, Zerfall mit β = BR(LQ µq. Schnitte: p t,µ / p t,jet / E miss > / 5 / GeV und M,µνµ > 6 GeV. Hauptuntergrundreaktionen: W+Jets, Z+Jets, t t. Ergebnis: Es wurde kein Signal gesehen. Diese Sorte Leptoquarks ist damit bis zu einer Masse von GeV ausgeschlossen. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 9

10 Suche nach Vektor (S= Leptoquarks der. Generation Die Datenverteilung Details der Analyse Events / (5 GeV (a Data ( Ldt= pb VLQ VLQ Z ττ QCD tt W+jets γ+jets, Z ee/ µµ (m= GeV/c eτ h Annahme: Nur ein Zerfallskanal BR(LQ τ b =. Signal: LQLQ (e/µ b (τ h b mit τ h = τ had. Schnitte: p t,jet > 5 GeV, E miss > GeV, kein b-tag aber Z-Veto: 76 < m l,x /GeV < 6. Das Signal mit m LQ = GeV wäre gut zu sehen. Die Daten sind mit der SM Vorhersage verträglich. Events / (5 GeV (b ɛ = 6% µτ h (GeV H σ(pp VLQ VLQ + X (pb - Die Grenzen auf σ BR Yang-Mills Couplings Minimal Couplings heory Uncertainty Observed 95% C.L. Limits Minimal Couplings Yang-Mills Couplings VLQ Mass (GeV/c Es wurden keine Leptoquarks entdeckt. σ < fb m LQ > 7 GeV S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

11 Gravitonzerfall in vier Elektronen - die Suche Events / GeV Invariante Masse der -Elektronen CDF Run II Preliminary,. fb WW WZ ZZ Z ee Z µµ w e ν Herwig dijet p > Data 6 8 (GeV m eeee χ Güte der Z-Fits CDF Run II Preliminary,. fb ( mee M χ = Σ, Z σ 6 8 (GeV m eeee Signal: G Z Z e mit m G > 5 GeV, σ.5 fb. Deswegen ist hohe Elektronselektionseffizienz nötig. Die Reinheit wird durch eine Z-Massenzwangsbedingung erreicht. Selektion: m Z Z > 5 GeV und χ < 5. Dies ergibt ɛ = 5% aber kein Signalereignis. Untergrund: Z Z Produktion σ.7 fb zu klein. Deswegen erfolgt die Abschätzung aus hadronischen Fakes mit ähnlicher Kinematik zu Bgd =.. Ereignissen. Die Signalregion zeigt keinen Hinweis auf Gravitonzerfälle. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

12 Gravitonzerfall in vier Elektronen - das Resultat Das Ereigniss mit dem besten χ Die Ausschlussgrenzen σ * BF( G ZZ (pb CDF Run II Preliminary,. fb RS Graviton k/m P = m G (GeV M e = 9 GeV. Das Ereignis ist konsistent mit Z Z -Produktion. Die obere Grenze für σ BR liegt bei etwa pb für 5 < M G < GeV. Dies ist weit oberhalb der Erwartung. Die Suche ist erfolglos gewesen, und auch noch nicht sensitiv genug. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

13 echnicolor - Die Idee q q Das Feynman Diagram W* ρ π W b b ν l Die Brechung der elektroschwachen heorie erfolgt dynamisch durch eine neue Wechselwirkung, echnicolor. Die Goldstone Bosonen (GeV/c der heorie werden in die longitudinalen Freiheitsgrade der Eichbosonen transformiert m(π Die heorie enthält neue eilchen, Skalare- wie das π, und Vektor-echnifermionen wie das ρ. Diese echnifermionen zerfallen dann in Standard Modell eilchen. Der Wirkungsquerschnitt ist eine Funktion der Massen der echnifermionen. ypische Schnitte am evatron: p t,l > GeV, E miss > 5 GeV und p t,jet > 5 GeV. Das ergibt eine Selektionseffizienz von etwa %. bb BR(π Wπ σ(ρ Vorhersage für σ BR CDF Run II Preliminary (695 pb m(ρ = (GeV/c echnicolor wurde schon 979 von Weinberg und Susskind vorgeschlagen. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

14 Übersicht Einführung Compositeness Leptoquarks Extra Dimensionen echnicolor Zusammenfassung echnicolor - Suche nach einer Resonanz im e+jets Kanal Ereignisse mit einem b-jet Ereignisse mit zwei b-jets Die Ausschlussgrenzen Number of events 6 5 CDF Run II Preliminary (955 pb Data W+Heavy flavor Z+jets Mistag Non-W QCD tt(6.7pb+single op Diboson/Z ττ ρ =,π =5 Background error Number of events CDF Run II Preliminary (955 pb Data W+Heavy flavor Z+jets Mistag Non-W QCD tt(6.7pb+single op Diboson/Z ττ ρ =,π =5 Background error bb σ(ρ Wπ BR(π m(ρ =8 (GeV/c CDF Run II Preliminary (955 pb m(π (GeV/c Data PseudoExp PseudoExp heory(lo σ σ σ(ρ Wπ BR(π bb m(ρ =9 (GeV/c CDF Run II Preliminary (955 pb m(π (GeV/c Data PseudoExp PseudoExp heory(lo σ σ bb σ(ρ Wπ BR(π m(ρ CDF Run II Preliminary (955 pb = (GeV/c Data PseudoExp PseudoExp heory(lo σ σ σ(ρ Wπ BR(π bb m(ρ CDF Run II Preliminary (955 pb = (GeV/c Data PseudoExp PseudoExp heory(lo σ σ Q value (GeV/c Q value (GeV/c m(π (GeV/c Der Q-Wert des Zerfalls Q = m ρ m π m W sollte für das Signal verschwinden. Die Ereignissklasse mit zwei b-jets hat eine bessere Sensitivität für das Signal. Da die Daten mit der Untergrunderwartung verträglich sind, werden Ausschlussgrenzen als Funktion der Massen m ρ und m π bestimmt. Die erreichten Limits sind vorallem bei kleinem m π leicht besser als die aus Pseudoexperimenten erwarteteten Limits m(π (GeV/c Die Limits auf σ BR ist nur leicht schlechter als die theoretische Vorhersage. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius

15 echnicolor - Suche nach einer Resonanz im e+jets Kanal Events /.5 Jet Öffnungswinkel DØ, 88 pb DAA SM bkg. Instr. bkg. W π φ(jj ranversalimpuls des Jetpaars Events / GeV DØ, 88 pb DAA SM bkg. Instr. bkg. W π p (jj (GeV Events / GeV Masse des echnirhos DØ, 88 pb DAA SM bkg. Instr. bkg. W π 6 M(Wjj (GeV Die Signalreaktion ist: ρ W π eν e (b b, b c, c b. Die Selektionsschnitte sind p t,e / p t,jet / E miss > / / GeV, M,eνe > GeV, genau -Jets und davon mindestens ein identifizierter b-jet. Das simulierte Signal mit M ρ = GeV wäre gut sichtbar. Es wurde eine schnittbasierte und eine Analyse mit einem Neuronalem Netzt durchgeführt. Die Daten zeigen keinen Hinweis auf ein mögliches Signal. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 5

16 echnicolor - erwartete und tatsächliche Ausschlussgrenzen von D Erwarte Ausschlussgrenzen Gemessene Ausschlussgrenzen M(π (GeV (a 8 6 DØ, 88 pb = 5 GeV M V W π production threshold production threshold π π Expected Exclusion (NN Expected Exclusion (Cut-based 6 8 M(ρ (GeV 6 8 M(ρ (GeV Die Massenskala für die Vektorkopplungen wurde zu M V = 5 GeV angenommen. Wenn der Zerfall ρ π π möglich ist, fällt die Zerfallsrate für ρ W π stark ab. Die erwarteten und tatsächliche Ausschlussgrenzen stimmen recht gut überein. M(π (GeV (b 8 6 DØ, 88 pb = 5 GeV M V W π production threshold production threshold π π Excluded Region (NN Excluded Region (Cut-based Die Analyse mit dem Neuronalen Netz hat eine leicht höhere Sensitivität. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 6

17 Zusammenfassung Das Standard Modell ist sehr erfolgreich, hat aber einige fundamentale Schwächen. Deswegen ist es unumgänglich, dass das SM erweitert werden muss. Zulässige Modelle für Physik jenseits des SM müssen das SM bei niedriger Energie enthalten, nicht im Widerspruch zu den Daten stehen und Neue Phänomene vorhersagen. Es wurde im Rahmen von GUs nach LeptoQuarks gesucht, so wie unter der Annahme, dass die SM eilchen nicht elementar sind, nach angeregten Zuständen wie dem e. String heorie und Extra Dimensionen erlauben eventuell eine Vereinheitlichung des SM mit der Gravitation. Die vorhergesagten Zustände wurden aber nicht entdeckt. echnicolor liefert eine Möglichkeit die spontane Symmetriebrechung dynamisch zu generieren. Die vorhergesagten echnifermionen wurden aber bis heute nicht gefunden. Alle Suchen nach Neuer Physik waren bis heute negativ. Mit dem LHC wird in diesem Jahr die ür zu höheren Energien und großen Luminositäten weit aufgestossen. Nächste Vorlesung: SS8, Vorlesung, Do 7. April :5 Uhr. S. Bethke, R. Nisius WS 7/8 V5 5. Februar 8 Richard Nisius 7