Teilchenphysik mit h ¨ochstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC)

(1)

Beschleunigern (Tevatron und LHC)

Gravity modiﬁcations from extra dimensions 6659

open string closed string

Extra dim ension(s)

perp. to th e brane

Minkowski 3+1 dimensions

d extra dimensions||

p=3+d -dimensional brane//

3-dimensional brane

V15: Andere Erweiterungen des Standard Modells

5. Februar 2008

Richard Nisius (MPP M ¨ unchen) nisius@mppmu.mpg.de

TU M ¨unchen, WS 07/08, S. Bethke und R. Nisius

(2)

Vorlesungsthemen

1. Einf ¨uhrung: Stand der Teilchenphysik 16.10.07 2. Teilchenphysik: offene Fragen und Projekte 23.10.07 3. Hadronenbeschleuniger: Tevatron und LHC 30.10.07 4. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (I) 06.11.07 5. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (II) 13.11.07 6. Trigger, Datennahme und Computing 20.11.07 7. Ereignisgeneratoren und Detektor Simulation 27.11.07 8. QCD, Jets, Strukturfunktionen 04.12.07

9. Standard Modell Tests 11.12.07

10. CP-Verletzung 18.12.07

. . .

11. Top-Quark Physik 08.01.08

12. Suche nach dem Higgs-Boson 15.01.08

13. Supersymmetrie 22.01.08

14. Ausblick & Zukunftsprojekte 29.01.08 15. Andere Erweiterungen des Standard Modells 05.02.08

(3)

Die Suche nach dem Unbekannten

Generelle ¨Uberlegungen

−Der Phasenraum des Unentdeckten ist immens groß.

W⁰

Z₀ e?

Extra Dimensionen

Little Higgs

Technicolor LeptoQuarks

??

−Die M öglichkeiten neuer Theorien m üssen durch die Forderung nach potentieller Beobachtbarkeit eingeschr änkt werden.

−Akzeptable Theorien enthalten im Niederenergielimit das Standard Modell, sind nicht im Konflikt mit existierenden Messungen und sagen neue Ereignisklassen voraus.

Experimentelle Strategien

−Exklusiv: Man nehme ein bestimmtes Modell, simuliere das Signal, studiere den Untergrund, prepariere Phasenraum mit gutem^√^S

B, feiere die Entdeckung oder bestimme Ausschlussgrenzen als Funktion der Modellparameter.

−Inklusiv: Man prepariere potentiell interessante Phasenraumbereiche, (highptBereiche 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.

(4)

Modellunabh ¨angige Suche exklusiver Endzust ¨ande

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Liste aller untersuchten Topologien

,j1,j2) (GeV) τ+

M(

200 400 600 800

Number of Events

0 10 20

τ+

3j

-1)

CDF Run II Preliminary (927 pb

CDF Run II Data Other

: 0.1%

t Herwig t

j : 0.3%

γ Pythia Pythia bj : 3.7%

Pythia jj : 95.9%

,j1,j2) (GeV) τ+

M(

200 400 600 800

0 10 20

’Schlechteste’ Verteilung im Kanal gr ¨oßter Raten- abweichung

Normierte Abweichungen

Entries 344 Underflow 0 Overflow 0

σ

-6 -4 -2 0 2 4 6

Vista Final States

0 20 40 60 80

Entries 344 Underflow 0 Overflow 0 -1) CDF Run II Preliminary (927 pb

’Rate’

Entries 16486

σ

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Vista Distributions

0 1000 2000

3000 Entries 16486

overflow

-1) CDF Run II Preliminary (927 pb

’Form’

−Identifikation isolierter Objekte:

e^±,µ^±,τ^±,γ, Jet, b-Jet mitpt>17GeV.

−Insgesamt werden 344 exklusive Endzu- st ¨ande mit 16486 Verteilungen untersucht.

−Simulation des vollen Standard Modell Untergrunds plus Korrekturfaktoren.

−χ²-Vergleich von Raten und Verteilungen, wobei eine Wahrscheinlichkeit kleiner als 1 Promille eine Entdeckung bedeutet.

Es wurden keine signifikanten Abweichungen gefunden.

(5)

Suche nach Abweichungen im Bereich hoher Transversalimpulse

−Annahme: Neue Physik befindet sich bei hohen Transversalimpulsen

⇒studiere dieΣptVerteilung.

−Kombiniere e undµEndzust ¨ande, nehme nur Topologien mit gerader Anzahl Jets.

Die Verteilung mit der gr ¨oßten Abweichung

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

-1) CDF Run II Preliminary (927 pb b

b P_{= 0.0055}

(GeV)

T

∑

p 469

CDF Run II data Pythia jj : 82%

Pythia bj : 18%

j : 0.2%

γ Pythia

: 0.11%

t Herwig t Other

600 800 1000 1200

10-3

10-2

10-1

1 10

102

103

,9900) 9540 ,d)=(

SM (

−Suche nachpt,imit maximaler Abwei- chung in N f ¨urΣpt>Σpt,i mittels der Poissonwahrscheinlichkeit P daf ¨ur dass das SM≥N Ereignisse zu liefert.

Resultat:pt,i =469GeV.

−Nehme Pseudoexperimente aus SM und bestimme P, dass das SM etwas signifi- kanteres in dieser Verteilung lieferte.

Dies ergibt hierP=0.55%

−Die Wahrscheinlichkeit unter Ber ¨ucksich- tigung der Anzahl der untersuchten Verteilungen ist aber bereitsP=46%.

Auch hier wurden keine signifikanten Abweichungen gefunden.

(6)

Test der Sensitivit ¨at der Suche

Diet¯tTopologie . . .

−Die EreignistopologieWb¯b q¯qist durch diet¯tProduktion dominiert ist. Die Wahrschein- lichkeit eine signifikantere Abweichung vom Standard Modell zu finden ist 9%.

. . . ohnet¯tEreignisse

−Wenn diet¯tProduktion im Standard Modell vernachl ¨assigt wird, f ¨allt die Wahrscheinlichkeit eine signifikantere Abweichung zu finden auf 2.4·10⁻⁴%⇒Es existiert ein Signal.

Das Top-Quark Signal w ¨are bei dieser Analyse entdeckt worden.

(7)

Compositeness - Suche nach angeregten Elektronen

Feynman-Diagramm

−Annahme: Produktion angeregter Elektronen,e^?, in einer 4-Fermion-Wechselwirkung mit Standard Modell Zerfall dese^?→eγ. Der WQS ist proportonal zur CompositenessskalaΛ.

−Der Untergrund kommt haups ¨achlich aus der Drell-Yan Reaktion:p¯p→γ^?/Z⁰→eeγ.

Die invariante ee Masse

m(ee) (CC/CC) [GeV]

Events / 5 GeV

100 200 300 400 500 600 10-1

1 10 102

103

104 ^Data

→ ee DY

τ τ

→ DY WW/WZ/ZZ incl.

ttbar incl.

Multijet DØ 1.0 fb -1

−Suche nach isolierten e eγim Endzustand mitpt,e₁/pt,e₂/pt,γ >25/15/15GeV.

Die invariantee^?Masse

) [GeV]

2γ m(e

Events / 10 GeV

0 100 200 300

10-1

1 10 102

103

DØ 1.0 fb -1

−NDaten=259,NSM=239±36 Ereignisse plus zus ¨atzlichem Signal mitme^?=100GeV.

Die Signalregion zeigt keinerlei ¨Uberh ¨ohung.

(8)

Compositeness - die Ausschlussgrenzen

[GeV]

me*

200 400 600 800 1000

) [fb]γ ee→ e*e →p (pσ

10 102

103

104

105 σ_CI (Λ = m_e*) (GM)

e*) Λ = m

CI ( σ

= 1 TeV) Λ

CI ( σ

= 3 TeV) Λ

CI ( σ

= 5 TeV) Λ

CI ( σ

DØ obs. limit DØ exp. limit CDF obs. limit DØ 1.0 fb -1

Grenzen aufσ·BR

−Die ausgeschlossenen Werte h ¨angen sehr stark von den Modellparametern ab.

[GeV]

me*

200 400 600 800

[TeV]Λ

1 2 3 4 5 6

excluded 95% CL DØ 1.0 fb

-1

→ ee*

p p → e γ e*

DieΛ−me^?Ebene

−Der ausgeschlossene Bereich reicht vonΛ =6TeVbei kleinen Massen,me^?, f ¨ur das angeregte Elektron, bis zume^? >796GeVbei einer Skala vonΛ =1TeV.

Auch hier wurde kein Signal gefunden.

(9)

Suche nach Skalaren Leptoquarks der 2. Generation

Transversalimpuls desµ

(GeV) T Leading Muon p

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Entries / 20 GeV

1 10 102 103

(GeV) T Leading Muon p

0 50 100 150 200 250 300 350 400

1 10 102 103

)+jets µ µ

→ ALPGEN (Z ALPGEN Wjets inclusive

inclusive t PYTHIA t QCD Background

-1) DATA (1.05 fb

= 0.5) β PYTHIA Signal (M = 200 GeV,

DØ Run II Preliminary, 1 fb -1

Invariante Masse des LQ

(GeV) LQ,reco Reconstructed Leptoquark Invariant Mass M 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

10-3 10-2 10-1 1 10 102

(GeV) LQ,reco Reconstructed Leptoquark Invariant Mass M 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

10-3 10-2 10-1 1 10 102

)+jets µ µ

→ ALPGEN (Z ALPGEN Wjets inclusive

inclusive t PYTHIA t QCD Background

-1) DATA (1.05 fb

= 0.5) β PYTHIA Signal (M = 200 GeV,

−Die Ladungssumme einer Familie verschwindet, z.B.Σ (Qe+Qνe+3Qd+3Qu)≡0.

−Dies muss eine tiefere Bedeutung haben. In vielen Grand Unified Theories (GUT) sind Quarks und Leptonen deswegen in gemeinsamen Multiplett angeordnet, und es werden gebundene Lepton-Quark-Zust ¨ande vorhergesagt, die LeptoQuarks (LQ).

−QCD s-Kanal Produktion viag →LQLQ→µcνµ¯s, Zerfall mitβ=BR(LQ→µq)≡1.

−Schnitte:pt,µ/pt,jet/E_T^miss>20/25/30GeVundMT,µν_µ >160GeV.

−Hauptuntergrundreaktionen: W+Jets, Z+Jets,t¯t. Ergebnis: Es wurde kein Signal gesehen.

Die Ausschlussgrenzen

Scalar Leptoquark Mass (GeV) 160 170180 190200 210220 230240

(pb)σ

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

) LQ BR (Q = M

× NLO σth

) LQ BR error (Q = M th× σ

) LQ BR (Q = M

× LO σth

observed 95% CL limit σ

expected 95% CL limit σ 210 GeV = 0.5 β

214 GeV

Diese Sorte Leptoquarks ist damit bis zu einer Masse von 214GeVausgeschlossen.

(10)

Suche nach Vektor (S=1) Leptoquarks der 3. Generation

Events / (25 GeV)

10-1

1

10 Data ( Ldt=322 pb^-1⁾

2) /c GeV (m=320 VLQ3 VLQ3

µ µ

→ee/

τ , Z τ

→ Z QCD

t t

jets W+

jets γ+

(a) ∫

10-1

1 10

(GeV) HT 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

10-2

10-1

1 10 ^(b)

(GeV) HT 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

10-2

10-1

1 10

Die Datenverteilung

eτh

=6%

µτh

Details der Analyse

−Annahme: Nur ein ZerfallskanalBR(LQ→τb) =1.

−Signal:LQLQ→(e/µb) (τ_hb)mitτh=τ→had.

−Schnitte:p_t,jet >15GeV,E_T^miss>10GeV, kein b-tag aber Z-Veto: 76<m_`,X/GeV<106.

−Das Signal mitm_LQ =320GeVw ¨are gut zu sehen.

−Die Daten sind mit der SM Vorhersage vertr ¨aglich.

Die Grenzen aufσ·BR

2) VLQ3 Mass (GeV/c

150 200 250 300 350 400

+ X) (pb)VLQ3 VLQ3 → p(pσ -210

10-1 1 10 102

2) VLQ3 Mass (GeV/c

150 200 250 300 350 400

+ X) (pb)VLQ3 VLQ3 → p(pσ -210

10-1 1 10 102

Yang-Mills Couplings Minimal Couplings Theory Uncertainty Observed 95% C.L. Limits

Minimal Couplings Yang-Mills Couplings

σ <344 fb mLQ >317GeV

Es wurden keine Leptoquarks entdeckt.

(11)

Gravitonzerfall in vier Elektronen - die Suche

(GeV) meeee

200 400 600 800 1000

Events / 20 GeV

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

(GeV) meeee

200 400 600 800 1000

Events / 20 GeV

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

4.5 ^WW_WZ

ZZ

→ ee Z

µ µ

→ Z → e ν w

> 40 Herwig dijet pT

Data CDF Run II Preliminary, 1.1 fb-1

Invariante Masse der 4-Elektronen

(GeV) meeee

0 200 400 600 800 1000

2χ

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

CDF Run II Preliminary, 1.1 fb-1

G ¨ute der Z-Fits

χ²= Σ1,2

_m

ee−M

Z⁰

σ

−Signal:G→Z⁰Z⁰→4emitm_G>500GeV,σ≈0.5 fb. Deswegen ist hohe Elektron- selektionseffizienz n ¨otig. Die Reinheit wird durch eine Z-Massenzwangsbedingung erreicht.

−Selektion:mZ⁰Z⁰>500GeVundχ²<50. Dies ergibt=50%aber kein Signalereignis.

−Untergrund: Z⁰Z⁰Produktionσ≈0.007 fb zu klein. Deswegen erfolgt die Absch ¨atzung aus hadronischen Fakes mit ¨ahnlicher Kinematik zuBgd =0.02±0.02 Ereignissen.

Die Signalregion zeigt keinen Hinweis auf Gravitonzerf ¨alle.

(12)

Gravitonzerfall in vier Elektronen - das Resultat

Das Ereigniss mit dem bestenχ²

−M4e=190GeV. Das Ereignis ist konsistent mit Z⁰Z⁰-Produktion.

(GeV) mG

600 800 1000

(pb) ZZ )→G * BF( σ

10-3

10-2

10-1

1 10

RS Graviton = 0.1

P

k/m CDF Run II Preliminary, 1.1 fb-1

−Die obere Grenze f ¨urσ·BRliegt bei etwa 4 pb f ¨ur 500<M_G <100GeV.

Dies ist weit oberhalb der Erwartung.

Die Suche ist erfolglos gewesen, und auch noch nicht sensitiv genug.

(13)

Technicolor - Die Idee

Das Feynman Diagram

q

W* ρ^±T 0

πT

b

b l

ν W±

−Die Brechung der elektroschwachen Theorie erfolgt dynamisch durch eine neue Wechsel- wirkung, Technicolor. Die Goldstone Bosonen

der Theorie werden in die longitudinalen Freiheitsgrade der Eichbosonen transformiert.

−Die Theorie enth ¨alt neue Teilchen, Skalare- wie dasπT, und Vektor-Technifermionen wie dasρT. Diese Technifermionen zerfallen dann in Standard Modell Teilchen.

2) )(GeV/c T π0 m(

90 95 100 105 110 115 120 125 130 )b b→0 Tπ BR(×)0Tπ W→± Tρ(σ

0 1 2 3 4

2) ) =210 (GeV/c

T

ρ±

m(

Vorhersage f ¨urσ·BR

−Der Wirkungsquerschnitt ist eine Funktion der Massen der Technifermionen.

−Typische Schnitte am Tevatron:pt,`>20GeV,E_T^miss>25GeVundpt,jet >15GeV.

Das ergibt eine Selektionseffizienz von etwa 1%.

Technicolor wurde schon 1979 von Weinberg und Susskind vorgeschlagen.

(14)

Technicolor - Suche nach einer Resonanz im e+Jets Kanal

2) Q value (GeV/c

0 50 100 150 200 250 300

Number of events

0 10 20 30 40 50 60

0 50 100 150 200 250 300

0 10 20 30 40 50 60

Data W+Heavy flavor Z+jets Mistag Non-W QCD

(6.7pb)+Single Top t

t →ττ

Diboson/Z

=115 0 πT

=200,

± ρT Background error

Ereignisse mit einem b-Jet

−Der Q-Wert des ZerfallsQ=mρ_T −mπ_T −mWsollte f ¨ur das Signal verschwinden.

0 50 100 150 200 250 300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 50 100 150 200 250 300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Data W+Heavy flavor Z+jets Mistag Non-W QCD

(6.7pb)+Single Top t

t →ττ

Diboson/Z

=115 0 πT

=200,

± ρT Background error

Ereignisse mit zwei b-Jets

−Die Ereignissklasse mit zwei b-Jets hat eine bessere Sensitivit ¨at f ¨ur das Signal.

2) )(GeV/c T π0 m(

90 95100105110115120125130 )b b→0Tπ BR(×)0Tπ W→±Tρ(σ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2) ) =180 (GeV/c T ρ± m(

Data σ

± 1 PseudoExp

σ

± 2 PseudoExp Theory(LO) -1) CDF Run II Preliminary (955 pb

2) )(GeV/c T π0 m( 90 95100105110115120125130 )b b→0Tπ BR(×)0Tπ W→±Tρ(σ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2) ) =190 (GeV/c T ρ± m(

Data σ

± 1 PseudoExp

σ

2) )(GeV/c T π0 m(

90 95100105110115120125130 )b b→0Tπ BR(×)0Tπ W→±Tρ(σ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

) 2 ) =200 (GeV/c T ρ± m(

Data σ

± 1 PseudoExp

σ

2) )(GeV/c T π0 m( 90 95100105110115120125130 )b b→0Tπ BR(×)0Tπ W→±Tρ(σ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

) 2 ) =210 (GeV/c T ρ± m(

Data σ

± 1 PseudoExp

σ

−Da die Daten mit der Untergrunderwartung vertr ¨aglich sind, werden Ausschluss- grenzen als Funktion der Massenmρ_Tundmπ_T bestimmt.

−Die erreichten Limits sind vorallem bei kleinemmπ_Tleicht besser als die aus Pseudoexperimenten erwarteteten Limits.

Die Limits aufσ·BRist nur leicht schlechter als die theoretische Vorhersage.

(15)

Technicolor - Suche nach einer Resonanz im e+Jets Kanal

Jet ¨Offnungswinkel

(jj) φ

0 1 2 ∆ 3

Events / 0.125¹⁰

20

(jj) φ

0 1 2 ∆ 3

Events / 0.125¹⁰

20

DØ, 388 pb -1

DATA SM bkg.

Instr. bkg.

πT

W

Tranversalimpuls des Jetpaars

(jj) (GeV) pT

0 50 100 150 200 250

Events / 10 GeV

10 20

(jj) (GeV) pT

0 50 100 150 200 250

Events / 10 GeV

10 20

DØ, 388 pb -1

DATA SM bkg.

Instr. bkg.

πT

W

Masse des Technirhos

M(Wjj) (GeV)

200 400 600

Events / 24 GeV

10 20

M(Wjj) (GeV)

200 400 600

Events / 24 GeV

10 20

DØ, 388 pb -1

DATA SM bkg.

Instr. bkg.

πT

W

−Die Signalreaktion ist:ρT→WπT→eνe(b¯b,b¯c,c¯b).

−Die Selektionsschnitte sindpt,e/pt,jet/E_T^miss>20/20/20GeV,MT,eν_e >30GeV, genau 2-Jets und davon mindestens ein identifizierter b-Jet.

−Das simulierte Signal mitMρ_T =210GeVw ¨are gut sichtbar.

−Es wurde eine schnittbasierte und eine Analyse mit einem Neuronalem Netzt durchgef ¨uhrt.

Die Daten zeigen keinen Hinweis auf ein m ¨ogliches Signal.

(16)

Technicolor - erwartete und tats ¨achliche Ausschlussgrenzen von D0

) (GeV) ρT

160 M(180 200 220

) (GeV)TπM(

60 80 100 120 (a)

= 500 GeV MV

DØ, 388 pb -1

production threshold πT

W

πT

Expected Exclusion (NN) Expected Exclusion (Cut-based)

Erwarte Ausschlussgrenzen

−Die Massenskala f ¨ur die Vektorkopplungen wurde zuMV =500GeVangenommen.

−Wenn der ZerfallρT→πTπTm öglich ist, f ällt die Zerfallsrate f ürρT→WπTstark ab.

) (GeV) ρT

160 M(180 200 220

) (GeV)TπM(

60 80 100 120 (b)

= 500 GeV MV

DØ, 388 pb -1

W

πT

Excluded Region (NN) Excluded Region (Cut-based)

Gemessene Ausschlussgrenzen

−Die erwarteten und tats ¨achliche Ausschlussgrenzen stimmen recht gut ¨uberein.

Die Analyse mit dem Neuronalen Netz hat eine leicht h ¨ohere Sensitivit ¨at.

(17)

Zusammenfassung

−Das Standard Modell ist sehr erfolgreich, hat aber einige fundamentale Schw ¨achen.

Deswegen ist es unumg ¨anglich, dass das SM erweitert werden muss.

−Zul ässige Modelle f ür Physik jenseits des SM m üssen das SM bei niedriger Energie ent- halten, nicht im Widerspruch zu den Daten stehen und Neue Ph änomene vorhersagen.

−Es wurde im Rahmen von GUTs nach LeptoQuarks gesucht, so wie unter der Annahme, dass die SM Teilchen nicht elementar sind, nach angeregten Zust ¨anden wie deme^?.

−String Theorie und Extra Dimensionen erlauben eventuell eine Vereinheitlichung des SM mit der Gravitation. Die vorhergesagten Zust ¨ande wurden aber nicht entdeckt.

−Technicolor liefert eine M ¨oglichkeit die spontane Symmetriebrechung dynamisch zu generieren. Die vorhergesagten Technifermionen wurden aber bis heute nicht gefunden.

−Alle Suchen nach Neuer Physik waren bis heute negativ. Mit dem LHC wird in diesem Jahr die T ür zu h öheren Energien und großen Luminosit äten weit aufgestossen.

N ¨achste Vorlesung: SS08, Vorlesung 1, Do 17. April 10:15 Uhr.