Лекция IV

Вопросы по третьей лекции :
I. Какие поля являются многомерными (живут в полном объеме) в модели ADD?
A) все поля
B) гравитационное и калибровочное
C) калибровочное
D) гравитационное
II. Радион это:
A) скаляр
B) спинор
C) вектор
D) антисимметричный тензор
III. В модели ADD радиусы дополнительных пространственных измерений могут быть
A) любыми
B) не больше 1/ТэВ, т.к. иначе нарушаются закономерности стандартной модели
взаимодействий, проверенные на экспериментах с высокой точностью
C) не больше нескольких микрон, как дают гравитационные эксперименты (по
поиску отклонений от закона Ньютона)
D) очень малыми (планковскими
1
Большие дополнительные пространственные измерения:
многомерная ТП и гравитация масштабе ТэВ.
Савина Мария
ЛФЧ, ОИЯИ
Лекция 4: Экспериментальное наблюдение сигналов от новой физики
Краткий план:
• Экспериментальные установки на LHC
• Структура детекторов и их свойства (достижимое разрешение по энергии и
координате) в соответствии с выбранными физическими задачами
• Что мы будем измерять – выбор экспериментальных сигналов
• Максимально достижимая масса резонансов и верхний предел на видимость
отклонений для нерезонансных состояний, теоретические и
экспериментальные погрешности
• Примеры сигналов от разных моделей с ED
2
Экспериментальные установки на LHC
3
Большой Адронный Коллайдер, LHC
4
ATLAS and CMS Experiments
Large general-purpose particle physics detectors
Total weight
Overall Diameter
Barrel toroid length
End-cap end-wall chamber span
7000 t
25 m
26 m
46 m
Total weight
Overall diameter
Overall length
Magnetic filed
12 500 t
15.00 m
21.6 m
4 Tesla
Detector subsystems are designed to measure:
the energy and momentum of photons, electrons, muons, jets, missing ET
5
Компактный Мюонный Соленоид - CMS
Передний
калориметр, HF
вес - 14500 тон
диаметр - 14,60 м,
длина - 21,60 м,
магнитное поле - 4 Тесла
Мюонные камеры
Сверхпроводящая
обмотка соленоида
диаметр 6 м, длина 13
м
Внутренний
трекер
Возвратное
железное ярмо
Электромагнитный калориметр,
ECAL
Адронный
калориметр, HCAL
6
Наземный и подземные комплексы CMS
Наземный
зал(SX)
SX5
Surface
building
Delivered January 2000
Experimental
cavern (UX) зал
Экспериментальный
Ready April 2004?
UX5
Зал
управления
Service
cavern (US)и
обслуживания US5
Pillar
Защита
LHC
tunnel LHC
Тоннель
7
Поперечный разрез детектора CMS
8
Принцип
“Матрешка” или
“луковица” структура
детектирующих
слоев размещенная
в магнитном поле
9
Регистрация фундаментальных частиц
SM Fundamental Particle Appears As

e

g
q = u, d, s
q = c, b
t  W +b
e
  l +  +l
W  l + l
Z  l+ + l l + l
 (ECAL shower, no track)
e (ECAL shower, with track)
 (ionization only)
Jet in ECAL+ HCAL
Jet (narrow) in ECAL+HCAL
Jet (narrow) + Decay Vertex
W+b
Et missing in ECAL+HCAL
Et missing + charged lepton
Et missing + charged lepton,
Et~M/2
charged lepton pair
Et missing in ECAL+HCAL
10
Поперечный разрез детектора CMS
11
Что мы будем измерять на LHC?
– экспериментальные наблюдаемые, сигналы новой физики
-Тяжелые узкие резонансы в области Тэв (КК-моды гравитона,
калибровочных бозонов, полей материи – в самом общем случае)
- Отклонения от регулярного поведения сечений стандартной модели
(превышение над фоном или, наоборот, провалы, не предсказываемые СМ).
- Редкие процессы и процессы, запрещенные в СМ
- Всякая экзотика, вроде рождения черных дыр на ускорителе
- «Струноподобные» состояния, если верить в то, что фундаментальный
масштаб (он же – струнный масштаб) действительно порядка Тэв…
Все это можно будет наблюдать в лептонных или адронных каналах
распада
(лептонные предпочтительней, с экспериментальной точки зрения, из-за
более благоприятного соотношения сигнал-фон)
12
Experimental Signals
 Di-lepton, di-jets and di-photon resonance states (new particles)
in RS1-model (RS1-graviton) and TeV-1 extra dimension model (ZKK)
 Di-leptons, di-jets continuum modifications (virtual graviton
production in ADD)
 Single Jets/Single Photons + Missing ET (direct graviton
production in ADD)
 Single Leptons + missing ET in WKK decays in TeV-1 extra
dimension model (WKK)
 Back-to-back energetic jets + Missing ET (UED)
 4 jets + 4 leptons + Missing ET (mUED)
13
Experimental Uncertainties
Energy MisCalibration  performance of e//hadron energy
reconstruction.
Misalignment effect  increase of the mass residuals by around
30%
Drift time and drift velocities
Magnetic and gravitational field effects  can cause a scale
shift in a mass resolution by 5-10%
Pile-up  mass residuals increase by around 0.1–0.2 %
Background uncertainties (variations of the bg. shape)
 a drop of about 10-15% in the significance values
Trigger and reconstruction acceptance uncertainties
14
Some theoretical uncertainties

QCD and EW high-order corrections (K factors)

Parton Distribution Functions (PDF)

Hard process scale (Q2)

Cut efficiency, significance estimators..
15
Неопределенности, связанные с PDF
Феноменологическое происхождение PDF обуславливает одну из
систематических погрешностей при измерении сечения процессов
взаимодействия на эксперименте.
1. Оценки сечений для разных наборов
PDF дают разные значения, в пределах
погрешности +-7% для Mll>1 ТэВ
STEQ6M: x=10-3 – 10-4, 2.6 (6) % u(d) кварк
x=0.6-0.7 100%
2. Внутренние неопределенности - для одного
и того же набора. Связаны с ошибками «глобального
фита» по всем экспериментальным данным
И погрешностям (нет понятия – один «лучший»
фит, Есть набор альтернативных фитов, для
Настройки разных свободных параметров
PDF).
Растут в области больших x и Q2, а также
В области малых х.
Важно для нерезонансных сигналов – 10-15 % для
масштаба 3 ТэВ,
Снижает верхний предел достижимой
массы.
(n=3 ADD – c 7.5 ТэВ до 6.5 ТэВ).
16
Примеры анализа сигналов от моделей
с дополнительными измерениями
17
ADD scenario – flat bulk space, large extra dimensions, d=2-6
. Arkani-Hamed et el., Phys. Lett. B 429, 263 (1998), I. Antoniadis et al., Phys Lett. B 436, 257 (1998)
•
Our world is (4+d) dimensional
• SM fields live on the 4D-brane while gravity
can propagate in n flat extra compactified
dimensions
• Infinite tower of KK graviton excitations G(K)
with m2  k2/R2 (very light) and spin 2
• Interaction of an individual state G(K) with SM
fields is strongly suppressed by 1/MPl . But:
 e  e     ETmis  ~
N E  ~ ER 

M
2
Pl
N E 
d
• Large multiplicity due to small mass
splitting (~ 10-3 eV) enhances interactions
 (ff , gg  g KK  ( jet , Z 0 ,W )) 
S
N ( )
2
is enough for experimental observation
 e e    E
 
mis
T
 E
~ E
2
 
M 
d 2
18
ADD – обмен виртуальными гравитонами
K. Cheung and G. Landsberg, PRD62
T. Ham, J.D. Lykken, R.-J.Zhang, PRD59
19
ADD Discovery limit
Virtual graviton production
 two muons in the final state
 PYTHIA + CTEQ6L, LO + K=1.30
 Full (GEANT-4) simulation/reco +
L1 + HLT(riger)
 Theoretical uncert.
 Misalignment, trigger and off-line reco
inefficiency, acceptance due to PDF
I. Belotelov et al.
CMS NOTE 2006/076
CMS PTDR 2006
Confidence limits for
1 fb-1:
3.9-5.5 ТеV for n=6..3
10 fb-1: 4.8-7.2 ТеV for n=6..3
100 fb-1: 5.7-8.3 ТеV for n=6..3
300 fb-1: 5.9-8.8 ТеV for n=6..3
20
ADD Discovery limit
Real graviton production
 jet + G  jet + high missing ET
 Bckgr.: Z/W + jet  jet +  + /jet + l +
 ISAJET with CTEQ3L
 Fast simulation/reco
MD= 7.7, 6.2, 5.2 TeV
for n = 2,3,4
s=14 TeV
L=100 fb-1
jW(e/μ )
jW(τ)
jZ()
Tot back
=2 MD=4 TeV
=2 MD=8 TeV
=3 MD=5 TeV
=4 MD=5 TeV
ETmiss (GeV)
MD= 1 – 1.5 TeV for 1 fb-1
2- 2.5 TeV for 10 fb-1
3- 3.5 TeV for 60 fb-1
21
RS1 Model
L.Randall, R.Sundrum (RS scenario),
PRL83 3370 (1999)
5D curved space with
AdS metric:
Model Parameters:
Signals:
Curvature: k (~M)
Narrow, high-mass resonances
states in di-leptons, di-jets, diphotons events:
Compactification radius: r
Coupling constant: c = k/Ml
Gravity scale : Λπ=Mle-krπ
qq , gg  GKK  ee ,    , , jet  jet
22
RS1 Discovery Limit
Di-lepton states
I. Belotelov et al.
CMS NOTE 2006/104
CMS PTDR 2006
G1μ+μ-
c=0.01
100 fb-1
c=0.1
100 fb-1
 two muons/electrons in the final state
 Bckg: Drell-Yan/ZZ/WW/ZW/ttbar
 PYTHIA/CTEQ6L
 LO + K=1.30 both for signal and DY
 Full (GEANT-4) and fast simulation/reco
 Viable L1 + HLT(riger) cuts
 Theoretical uncert.
G1e+e-
B. Clerbaux et al.
CMS NOTE 2006/083
CMS PTDR 2006
 Misalignment, trigger and off-line reco
inefficiency, pile-up
23
RS1 Discovery Limit
Di-photon states
 two photons in the final state
 Bckg: prompt di-photons, QCD hadronic jets
and gamma+jet events, Drell-Yan e+e-
G1
 PYTHIA/CTEQ5L
 LO for signal, LO + K-factors for bckg.
 Fast simulation/reco + a few points with
full GEANT-4 MC
 Viable L1 + HLT(riger) cuts
 Theoretical uncert.
c=0.1
 Preselection inefficiency
Di-jet states
 Bckg: QCD hadronic jets
 L1 + HLT(riger) cuts
5 Discovered Mass: 0.7-0.8 TeV/c2
24
TeV-1 Extra Dimension Model
I. Antoniadis, 1991
 Multi-dimensional space with orbifolding
(5D in the simplest case, n=1)
 The fundamental scale is not planckian: MS ~ TeV
 Gauge bosons can travel in the
bulk
G. Azuelos, G. Polesello
EPJ Direct 10.1140 (2004)
 Fermion-gauge boson couplings
can be exponentially suppressed
for higher KK-modes
 Fundamental fermions can be
localized at the same (M1) or
opposite (M2) points of orbifold
 destructive or constructive
interference with SM model
ppZ1/1e+e-
25
TeV-1 ED Discovery Limits
Di-electron states (ZKK decays)
5 discovery limit of
 two electrons in the final state
 Bckg: Drell-Yan/ZZ/WW/
ZW/ttabr
(M1 model)
 PYTHIA/PHOTOS with CTEQ61M
 LO + K=1.30 for signals,
LO + K-factors for bckg.
 Full (GEANT-4) simulation/reco
 L1 + HLT(riger) cuts
B. Clerbaux et al.
CMS NOTE 2006/083
CMS PTDR 2006
 Theoretical uncert.
 Low luminosities pile-up
ATLAS expectations for e and μ:
PYTHIA + Fast simu/reco + Theor. uncert.
R-1 = 5.8 TeV @100 fb-1
26
Spin-1/Spin-2 Discrimination
Spin-1 States: Z from extended gauge models, ZKK
Spin-2 States: RS1-graviton
Angular distributions
Z’ vs RS1-graviton
I. Belotelov et al.
CMS NOTE 2006/104
CMS PTDR 2006
27
LHC Start-up Expectations
Model
Mass reach
Integrated
Luminosity (fb-1)
Systematic
uncertainties
ADD Direct GKK
MD~ 1.5-1.0 TeV, n = 3-6
1
Theor.
ADD Virtual GKK
MD~ 4.3 - 3 TeV, n = 3-6
MD~ 5 - 4 TeV, n = 3-6
0.1
1
Theor.+Exp.
di-electrons
di-photons
di-muons
di-jets
MG1~1.35- 3.3 TeV, c=0.01-0.1
MG1~1.31- 3.47 TeV, c=0.01-0.1
MG1~0.8- 2.3 TeV, c=0.01-0.1
MG1~0.7- 0.8 TeV, c=0.1
10
10
1
0.1
Theor.+Exp.
(only stat. for
di-jets)
TeV-1 (ZKK(1))
Mz1 < 5 TeV
1
Theor.
UED
4 leptons
R-1 ~ 600 GeV
1.0
Theor.+Exp.
Thick brane
R-1 = 1.3 TeV
6 pb-1
RS1
28
Conclusions
ATLAS and CMS analyses cover a large part of different hypotheses proposed to
solve a number of problems of Standard Model
The discovery potential of both experiments makes it possible to investigate if extra
dimensions really exist within various ED scenarios at a few TeV scale:
 Large Extra-Dimensions (ADD model)
 Randall-Sundrum (RS1)
 TeV-1 Extra dimension Model
 Universal Extra Dimensions
The performance of detector systems allows to perform searches in the different
channels
 A proper energy, momentum angular reconstruction for high-energy leptons
and jets, Et measurement
 b-tagging
 An identification of prompt photons
New results are expected at the start-up LHC weeks (integrated luminosity < 1 fb-1)
Many analyses are out of this talk: Black Holes, Bulk Scalars, Singlet Neutrino etc.
29