H1 und Zeus Hochenergiephysik bei HERA

Physik jenseits des Standard-Modells
Supersymmetrie
Peter Schleper
Institut für Experimentalphysik
Universität Hamburg
Sommer 2007
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 1
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
Literatur
Vorlesung:
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”, 2006
Drees, Godbole, Roy, „Theory and Phenomenology of Sparticles“, 2004
G.Kane, „Perspectives on Supersymmetry“, 1998
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 3
1. Übersicht Supersymmetrie
Supersymmetrie (SUSY)
•Eine Erweiterung des Standard-Modells (SM)
Beinhaltet das SM
identisch zum SM bei kleinen Energien ≤ Mweak
•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)
Photon (Spin 1)
Higgs (Spin 0)
Selektron (Spin 0)
Photino (Spin ½)
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
Supersymmetrie
Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen
Namensgebung:
Fermion 
Boson 
S-Fermion
Boson-ino
Spin
Standardteilchen
Superpartner
Spin
1/2
Leptonen (e, νe, …)
Quarks (u, d, …)
~, …)
Sleptonen (e,~νe
~
Squarks (u,~d, …)
1
Gluonen
W±
Z0
Photon (γ)
Gluinos
Wino
Zino
Photino ( γ~)
1/2
0
Higgs
Higgsino
1/2
2
Graviton
Gravitino
3/2
0
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 5
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-Sektor
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 MSUSY > Mweak
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
Die Teilchen im MSSM
Superpartners for all SM fields
(approximate doubling of physical particle spectrum)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 7
SUSY Wechselwirkungen: Beispiele
l
~
l
q
~
q
χ01
~
l
l,
, χ±2
W±
χ0 2
~
g
~
q
Z
χ0 1
q
~
g
q
~
q
q
χ01
q
~
q*
χ02
Z
q
χ01
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 8
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.
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 9
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:
e-
QCD: nicht-abelsch: Gluon Selbst-WW
e-
e+
e+
e ee-
e+
e+
eP. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 10
Renormierung: Laufende Kopplungen
Seien 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 > Q
Nur Teilchen mit M > Q tragen bei.
LO:
b1 =
4/3 nfg
nfg =Anzahl Fermion Generationen
b2 = - 22/3 + 4/3 nfg
b3 = - 11 + 4/3 nfg
1/α hängt von log(Q) ab
Unterschiedliches Vorzeichen für Bosonen und Fermionen
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 11
SUSY und GUTs
Test 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 SM
Vereinigung, 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 + GUTs
MSUSY ~ 1 TeV
MGUT ~ 2.4 • 1016 GeV
α(MGUT) ~ 0.04 = 1 / 25
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 12
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. MPlanck)
funktioniert nicht !!
A. Extrem großer Unterschied zwischen fundamentalen Skalen
MPlanck >> MGUT >> Mweak >> Mstrong
1019
1016
102
10-3 GeV
Warum mehrere Skalen, warum so große Skalen- Unterschiede ??
Extrapolation zu großen Skalen:
Quantenkorrekturen der laufenden Naturkonstanten siehe α(MGUT)
B. Divergenz der Higgs-Masse im SM
alle Kopplungen und Massen laufen logarithmisch ~ log(Q/Q0)
Einzige Ausnahme im SM:
Quantenkorrekturen zur Higgs- Masse (wegen Spin 0)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 13
Hierarchie Problem
Im SM:
114 ≤ MHiggs < 200 GeV
Loop 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 << MPlanck
für alle Ordnungen der Loop-Rechnungen (fine-tuning Problem)
Higgs Konzept ist unphysikalisch bei großen Energien !?!
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 14
Higgs constraints
Electroweak precision meas.: LEP-I final + LEP-II prel.
Mtop and MW: new results from Tevatron (Mar 07)
MW = 80.398 ± 0.025 GeV/c2
Mtop = 170.9
± 1.8
GeV/c2
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 15
Higgs Mass Constraints
direkt search e+e-
ZH
MH > 114,5 GeV
LEP / 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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 16
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
δMH2 ~ log( | MB2 – MF2 |)
⎛ 4π 2 v 2
Λ ≤ m H exp ⎜⎜
2
⎝ 3m H
⎞
⎟⎟
⎠
Differenz der SUSY Massen und SM Massen
~ MSUSY ≤ 1 TeV
SUSY löst das Hierarchieproblem
0 ≤ λ (Λ ) ≤ ∞
m 2H >
3G F 2
F log (Λ 2 / v 2 )
8π 2
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 17
2.3 Dunkle Materie im Kosmos
J.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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 18
Evidenz für Dunkle Materie
Dark Matter: Nicht leuchtende Materie
Evidenz 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 = Matter
DM = Dark Matter
Λ = kosmol. Konstante
B = Baryonen
•Universum ist nahezu flach
•ΩDM = 23 ± 4%
•ΩB = 4 ± 0,4%
•ΩDM = 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
Dunkle Materie in Galaxien
Gravitation ~ 1/r2
Sonnensystem
Rotationskurven (Keppler)
Galaxie NGC6503
Neue Form unsichtbarer Materie: “
Dark Matter = SUSY Teilchen ?
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 20
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- WQ
v = Geschwindigkeit
MLSP (TeV)
α ~ 0,1 schwache Kopplung
ΩDM ~ 23 %
Resultat:
100 GeV < MLSP < 1 TeV
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 21
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:
Ultraviolet vollständige Theorie
•
MSUSY~ 1TeV
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 m0 für alle Spin-0 Teilchen bei MGUT
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)
Dunkle Materie: MLSP < 1 TeV
MSUSY~ 1TeV
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 22
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 23
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 24
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 25
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 26
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 27
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 28
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 29
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 30
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 31
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
QCD Feynman Diagramme
.
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 33
Elektroschwache Feynman Graphen
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 34
Elektroschwache Feynman Diagramme
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 35
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.: mQ2 = 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
MSSM Parameter
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.:
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 37
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: 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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 38
SUSY breaking models
mSUGRA: 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
Strings ?
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
(SM)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 39
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 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)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 40
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 GeV
SUSY sagt Higgs Masse richtig voraus
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 41
Neutralino & Chargino Mixing
Massen Eigenzustände hängen ab von:
• M1, M2, tan β, μ
• MZ, sin2θW
Neutralino mixing
SUSY Massen und Brechung
EWSB Mischung: B,W
Z, photon
χ 0 1,2,3,4
χ04
Chargino mixing
χ
±
χ02
1,2
χ±2
χ03
χ ±1
χ 01
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 42
Von der GUT Skala zur Schwachen Skala:
Laufende Massen und Kopplungen
RGE evolution of SUSY masses
Gaugino masses:
z.B.: mSUGRA
Mi =
αi
α GUT
m1/2
Sfermion masses:
Higgs Masses:
• mh < 130 GeV
• m2H,A,H± ~ m2A +M2W
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 43
Zusammenfassung: constrained MSSM
SM Leptonen, Quarks
SUSY Partner: Sleptonen, Squarks
5 Higgs Teilchen: h, H, A0, H+, H-
Parameter tan β, mA, μ
4 Neutralinos:
χ 0 1,2,3,4
Mischungen aus
4 Charginos:
χ ± 1,2
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
m1/2
Kompliziertes Massenspektrum an schwacher Skala durch Strahlungskorrekturen
• mh < 130 GeV
0
• LSP ist das leichteste Neutralino
(Kosmologie: Neutral, kleiner WQ)
χ
1
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 44
mSUGRA masses and decays
Mass differences
•
•
MSquark >> MLSP
Large ET, Large ETmiss
model independent
discovery
Mslepton close to MLSP
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
4. Suche nach Supersymmetrie
Indirekte Suche:
•
•
Beiträge von SUSY Teilchen in Loops
kleiner Beitrag zum WQ
MSUSY groß
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 ~ 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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 46
SUSY vertices and decay modes
l
~
l
q
~
q
χ01
~
l
l,
, χ±2
W±
χ0 2
q
~
g
~
g
~
q
Z
q
χ01
χ0 1
Long decay chaines:
q
~
q
q
~
q*
χ02
Z
q
χ01
Jets + ETmiss
(often + leptons, W,Z, …)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 47
SUSY benchmark points
m0 , m1/2 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
4.1 Susy Suche bei LEP
e+
e
γ , Z*
-
~
l → l χ 01
~+
l
e+
~−
l
e
~e +
χ0
-
~e -
2 acoplanar leptons + missing E
LEP: WQ x Luminosität so groß,
daß (fast) alle Teilchen bis zu M = ECMS/2
beobachtbar sind
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
Chargino searches at LEP
~
Large m 0 ( l are heavy)
e
+
e
-
γ ,Z
*
χ
+
χ
−
~
Small m 0 ( l are light)
e+
ν~
e
χ10
WW → lνqq
χ10
χ−
χ + χ − → l +ν~ l −ν~ → l +νχ 0 1 l −νχ 0 1
χ + χ − → W *χ 0 1 W *χ 0 1
WW → qqqq
-
χ+
WW → lν lν
l+
χ10
ν
−
ν
l+
ν
χ10
χ10
χ10
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
LEP Suchen
Slepton Paar-Produktion
e+
e
γ , Z*
-
~+
l
e+
~−
l
e
~e +
χ0
-
~e -
Chargino Paar-Produktion
e+
e
-
γ ,Z
*
χ+
χ−
e+
ν~
e
-
χ+
χ−
CMSSM:
• sfermions and charginos
excluded for m < 80 … 104 GeV
• tan β > 1.4
• MLSP > 47 GeV
• Mh > 114.5 GeV
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 51
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
Tevatron Run 2 (2 fb-1 )
χ1+ χ 02 → 3l ± + MET searches
Interpretation in MSUGRA:
m0 , m1/2 an der GUT Skala
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 52
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 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
LHC plans
1 fb-1 = 120 effective days @ L ~ 1032 cm-2 s-1
2.5 x 1031
L ~ 5 x 1030
Stage I
2008
Hardware
commissioning
7TeV
Machine
checkout
7TeV
Beam
commissioning
7TeV
No beam
II
43 bunch
operation
75ns ops
4 x 1032
III
25ns ops I
Shutdown
Beam
1033
III
2009
Shutdown
No beam
Machine
checkout
7TeV
Beam
setup
25ns ops I
Shutdown
Beam
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 54
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
• 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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 55
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 56
Cross sections
Parton Luminosity
Partonic cross section
10
= 10- 3 ….20
gg gg
10-2
gg
bb, tt
qq
bb, tt
qq
WW
qq q‘q‘
10-3
10 TeV
10-3
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 57
Parton Luminosity
Parton Lumi
Ratio LHC / Tevatron:
•
•
•
LHC
qg
gg
qq
gg
qg
qq
Tevatron
LHC / Tevatron: factor
40 for gg
factor 10000 for gg
H @ MH= 120 GeV
XX @ MX= 0.5 TeV
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 58
Parton densities
Q2 = M2
•
•
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
Cross Sections
108 Events per sec
@1033 cm-2s-1
1000 jets / s (ET>100)
200 W /s 50 Z0 /s
1 ttbar / s
1 Higgs /min MH=150 GeV
•
•
Huge event rates for
Standard Model processes
Jets >> W, Z, t , H
√s
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 60
Sparticle production at LHC
• Squarks and gluinos produced via strong processes
q
αs
E.g.:
q
αs
g
q~
~
q
g
q
~
q
q~
g~
from Gianotti
→ large cross-section
M (GeV)
500
1000
2000
σ (pb)
100
1
0.01
Evts/yr
106-107
104-105
102-103
• Charginos, neutralinos, sleptons direct production via electroweak processes
much smaller rate
q
E.g.
q’
q~q~, q~g~, g~g~
(produced more abundantly in squark and gluino decays)
q~
χ+
χ0
σ ≈ pb
mχ ≈ 150 GeV
production are dominant SUSY processes at LHC
(if accessible)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 61
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
Simulation of event in the CMS detector: Low luminosity
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 63
Example :
m0 = 1000 GeV
m1/2 = 500 GeV
tan β = 35 μ > 0 A0 = 0
m (~
q, ~
g) ~ 1 TeV
CMS
→ spectacular signatures
→ easy to extract SUSY signal
from SM backgrounds at LHC
(in most cases …)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 64
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
LHC SUSY analysis strategy
~
χ10
lm
~
g
b
~
χ 20
~
b
1) Inclusive analysis
•
~±
l
l±
b
Jets + ETmiss
First evidence
use Meff, ETmiss, #jets, event rate
RP
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
3) Higgs mass, SUSY higgs search
4) Check consistency at GUT scale
Is it SUSY
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 66
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
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 jet1
δφ jet2
QCD simulation
δφ jet1
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 68
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
Background
Irreducible background
Zjj
ννjj
•
Determine background
from data
Zjj
μμjj
•
Assume same ETmiss
distribution
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 70
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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 71
SUSY decays with Z0
LM4: squark/ gluino production
decays to
before ETmiss cut
after ETmiss cut
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 72
SUSY decays with top
LM1
Discovery reach (5 sigma)
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 73
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
2-lepton channel: Mass reconstruction
Kawagoe,
Nojiri, Polesello
hep-ph/0410160
Gjelsten, Miller,
Osland
hep-ph/0410303
hep-ph/0511008
Nojiri, SUSY06
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 75
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
SUSY discovery reach for CMS
Discovery reach for squarks/gluinos
Time
mass reach
1 month at 1033
1 year at 1033
1 year at 1034
ultimate (300 fb-1)
~ 1.3 TeV
~ 1.8 TeV
~ 2.5 TeV
~ 2.5 - 3 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
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
4.3 Supersymmetrie: Higgs Suche
2 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 Boson
Große tan β
große h0 Masse
große Higgs-bb und Higgs-ττ Kopplung
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 79
SUSY Higgs bei LEP
Re-interpretation der SM Higgs Suche:
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 80
Supersymmetrie: Higgs Suche am Tevatron
SM HIggs: WQ klein
SUSY Higgs: WQ ~ tan2 β
größer bei großen tan β wegen großer Kopplung an b
φ0
b
φ0
g
b
g
b
φ0
b
g
•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
H
bb von DØ
880 pb-1
QCD Untergrund erklärt Daten
Kein Signal beobachtet
(mA=120, tanβ=60)
ausgeschlossen
Grenze auf tan β vom Tevatron:
Sehr große tan β sind ausgeschlossen
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 82
MSSM Higgs bosons decaying to ττ
Tau Zerfälle: ca. 17% in eνν, μνν
Rest fast ausschließlich in 1 oder 3 geladene Spuren + π0
großer Jet-Untergrund
CDF two-cone algorithm reconstruction
Entweder 1 oder 3 Spuren im inneren Konus
um Achse (definiert durch Spur pT>6 GeV/c)
Isolations-Konus als jet – veto: keine weitere Spur
“Visible mass”
Variable gegen Untergrund durch Z→ττ
m vis =
p τvis1 + p τvis2 + p/ T
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 83
“Visible Mass” spectra at CDF
Leichter Überschuß bei 160 GeV im tau Kanal ??
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 84
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
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
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
4.4 Präzisionsexperimente und Kosmologie
Loop Korrekturen durch schwere SUSY Teilchen
Präzision
1. LEP: Strahlungskorrekturen zu ee
•
•
2. μ
•
3. b
•
bb, WW, …
SUSY Teilchen ändern LOOP Korrekturen
SUSY passt etwas besser als SM mit leichtem Higgs
eγ verboten im SM
Verletzt Leptonzahl-Erhaltung
sγ
stark unterdrückt im SM
b
4. g-2 des Myons
~
q
χ±
5.
γ
s
Dunkle Materie in der Kosmologie
•
•
•
Positive Evidenz mit kleinem Fehler !!
Modellabhängig
MLSP < 500 GeV
0
χ
χ0
~
l
l
l
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 88
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
Präzisionsexperimente und Kosmologie
•B
s γ excluded
•gμ-2 favoured
stau = LSP
stau = LSP
stau = LSP
stau = LSP
•Dark matter
favoured
SUSY bereits deutlich
eingeschränkt, aber immer noch
sehr viele Möglichkeiten
Benötige direkte Entdeckung
bei LHC
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 90
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
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
5. Zusammenfassung und Ausblick
SM- Theory
• U(1) x SU(2) x (SU(3)
• Local gauge field theory, EWSB
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
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, MH
GUT, SUSY, Gravity, …
SUSY: MH, MGUT, Dark matter
Tension between
experiment and theory
Time for a decisive experiment:
LHC
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 93
Expected LHC SM results
Standard Model
•
•
PDFs , QCD, ……
δ Mtop ~ 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
•
•
•
• MH < 160 GeV
• MH ~ 160 GeV
• MH > 160 GeV
@ 10 fb-1
@ 1 fb-1
@ 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 into
laws of nature at the TeV Scale
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 94
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
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 95
Theorien der Physik
2010 ?
2007
Energie, Temperatur, - Zeit
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 96
Entwicklungen in der Theorie
Äußere Symmetrien (E,P)
Kräfte ?!?
Geometrische Deutung der WW ?
Spez. Relat
x,t
Spin SUSY
Superspace
Masse & Gravit.
Allg.Relat.
Andere WW ?
Stringtheorie
Gravitation
Innere Symmetrien
Kräfte
SM: U1 x SU2 x SU3
Alternativen
Compositeness von Fermionen: Preonen
•
Unwahrscheinlich, denn Radius Elektron < 10-18m
Unschärferelation Δx ΔP >1
PPreon > 200 GeV >> 0,5 MeV = Masse Elektron
Oder/und Anthropisches Prinzip ??
Techni-colour:
Higgs ist zusammengesetzt (W,Z auch)
Technipionen:
Experimentell ausgeschlossen wegen FCNC
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 97
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:
Ultraviolet vollständige Theorie
•
MSUSY~ 1TeV
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 m0 für alle Spin-0 Teilchen bei MGUT
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)
Dunkle Materie: MLSP < 1 TeV
MSUSY~ 1TeV
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 98
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: MZ, MH,SM = QFT
neu: ILC (TESLA), CLIC
Auflösungsvermögen: 10-19m
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 99
S-LHC und VLHC
Super-LHC:
• Ecms=14 TeV,
• Faktor 10 mehr Luminosität
• Eeff größer (PDF)
Große Teilchenraten/dichten
feinere Segmentierung
grössere Radien
Faktor 10 mehr Auslesekanäle
Very Large Hadron Collider:
Ecms ~ 50 … 200 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
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
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 Teilchenphysik
ECMS = 500 – 1000 GeV
Konkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA)
Kosten: Länge des Beschleunigers
DESY: 35 MeV / m
hohe Beschleunigung /Meter
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
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
Physik am e+e- Linear Collider
Z0
Energie-Schwelle
Wirkungsqeuerschnitte: ~fb
Higgs: e+eZH
Ecms > mZ + mH
SUSY: paarweise
sleptonen, charginos
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 104
Higgs am e+e- ILC
Test des SM:
•ZZH Kopplung
•WWH Kopplung
Kopplungen
sollten ~ MZ,MW
sein
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 105
ILC Higgs Messungen
Higgs Masse = Recoil- Masse
ZH
μμH
e+eBerechne μμ Impulse:
Fehlende Masse = MH
Modell-unabhängiger
Test der Higgs Produktion
Messe Zerfälle des H
Verzweigungsverhältnisse
Massen = Kopplungskonstanten ?
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 106
Higgs Kopplungen am ILC
Große Genauigkeit
für Test des SM
ZHH Kopplung !
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 107
Messung von SUSY Zerfällen am ILC
• Komplexes Massenspektrum:
Schlüssel für Brechung der
Supersymmetrie und des SM
• Fast ohne Untergrund
Messung aller Teilchen mit M< Ecms/2
LHC: Squarks, Gluino
ILC: Sleptonen, Gauginos, Higgs
Argument für CLIC…?
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 108
An der GUT Skala…
Physik bei 1016 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
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
Physik bei CLIC
Komplexe Ereignisse,
Immer noch viel einfacher
als bei LHC
Voller Massenbereich für SUSY !?!
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 111
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 1014
LHC + ILC = fundamental neue Einsicht in die Natur
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 112
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
Experimenteller Urknall am LHC ?!
Higgs
Supersymmetry
Extra Dimensionen
Schwarze Löcher
P. Schleper Physik jenseits des Standard- Modells 114