Date post: | 03-May-2015 |
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A. Ghezzi 1Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Ricerca di extra dimensioni a LHC
Alessio Ghezzi
Università Milano Bicocca e INFN Milano
A. Ghezzi 2Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Sommario
•Modello ADD per extra dimensione compattificate su largo R
•Produzione di gravitoni
•Effetti di gravitoni virtuali
•Modello di Randall-Sundrum
•Gravitoni come risonanze
•Modello con extra dimensioni con R~TeV-1
•Bosoni di gauge nelle ED
A. Ghezzi 3Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Large Extra DimensionsModello ADD: Arkani-Hamed,Dimopoulos e Dvali
Gravita’: puo’ propagare in 3+n dimensioni Campi SM: sono confinati in 3 dimensioni
2 2 n nP DM M R+= ⋅Parameteri del modello:
• numero di extra dimensioni n,• scala MD
Per R “grande” la scala MD diventa accessible at LHC
(n=2: R~1mm MD~1TeV)
Esistenza di 3+n dimensioni spaziali con n dimensioni compattificate su un toroide di raggio R
Misura diretta di deviazioni da F~1/r2 : R< 200m
I campi che si propagano nelle extra dim. in 4dim torri di stati KK massivi con m ~1/R
Fenomenologia a LHC:Emissione di gravitoni massivi
Deviazioni dal SM per processi di produzione coppie e+e-, +-
A. Ghezzi 4Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Limiti attuali al modello ADD
Limiti da LEP e da TEVATRON
n=2 MD ~1.5 TeV
n=3 MD ~1 TeV
n=8 MD ~0.5 TeV
Limiti da risultati di astrofisica
cooling di supernove per emissioni di gravitoni: n=2 MD>30 TeV, n=3 MD>2.1 TeV
Fondo di da G : n=2 MD>92 TeV, n=3 MD>3.8 TeV
Temperatura di stelle di neutroni : n=2 MD>414 TeV, n=3 MD>8.7 TeV
Ricerca di +missing E, jet+missing Ea LEP and TeVatron
“sovra chiusura” dell’universo : n=2 MD>6.6 TeV
S. Mele EPJ C 33 919-923 (2004)
A. Ghezzi 5Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Modello ADD : emissione di gravitoni
Calcolo delle basato su una teoria efficace ( < MD) (Giudice, Rattazzi, Wells hep-ph/9811291) s
G(k) G(k) G(k) G(k)
Gravitone + jet Gravitone +
Il singolo stato KK debolmente accoppiato (~1/MP) ma molti KK stati permessi (~MP2/MD
2)
Gravitone sfugge al rivelatore missing ET
Segnatura at LHC : jet+missing PT, +missing PT ~1TeVP T
Z0+jet Z0
W+jet W W+jet W e()
Fondi principali:
A. Ghezzi 6Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Emissione di gravitoni
Necessario analizzare la regione con
enorme missing ET (~ TeV)
Spettro di massa quasi continuo (m~1/R) :
non vi e’ effetto risonante nella distribuzione
Segnatura: eccesso di eventi ad alta missing ET
(gravitone) rispetto alle previsioni del SM
Calibrazione del fondo jet+Z
con eventi jet+Zl+l- (l=e,)
Idealmente eventi mono-jet ma vi e’ un contributo
importante da I/FSR
Trigger : Missing ET o Jet ad alto PT
necessaria buona conoscenza del fondo
<N jet>=4.5 con PT>10 GeV
n= 2, 3, 4
jet+Z
1000400 1400
Vacavant, Hinchliffe ATL-COM-PHYS-2000-005
Campione di riferimento ridotto a ~1/6 del fondo per:
BR Z(ll) /BR Z() ~1/3
Efficienza di selezione ~1/2
A. Ghezzi 7Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Emissione di gravitoniCriteri di selezione degli eventi• Jet centrale (||<2.5) ad alto PT
• Jet secondari di minor energia
• Missing PT opposto in al jet principale
• Veto a leptoni isolati (per jet+Wl)
250 1000
L=100 fb-1
€
/E T (GeV)E
vent
i/20
GeV
€
Sbest = NS
NB
incertezza sul fondo
stimato da Zll
€
S = NS
(α +1)NB
n MD MD best
2 7.5 TeV 9.1 TeV
3 5.9 TeV 7.0 TeV
4 5.3 TeV 6.0 TeV
NS=eventi di G+jet con >ETcut
NB=eventi di fondo con >ETcut
€
/E T
€
/E T
Total bg MD 5(TeV) n 2 MD 5(TeV) n 3 MD 7(TeV) n 2
556.5 1426.9 706.0 379.4
Total bg MD 3, n 2 MD 4, n 2 MD 3, n 3
82.9 194.4 61.8 49.2
G+
€
/E T > 0.5 TeV
Canale di conferma
Accuratezza calib. fondo ~
25%
ETcut = 1TeV
ATL-COM-PHYS-2000-005
A. Ghezzi 8Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Graviton virtual exchange
Anomalie nello spettro in Minv per coppie di leptoni o fotoni rispetto ai processi del SM.
cutoff sulla somma dei contributi degli stati KK :
dell’ordine della scala di massa (app. cutoff a MS)
MS = 4TeV
€
dσ
d cosθ= A(cosθ, ˆ s ) − λ
ˆ s
MS2
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
2
B(cosθ, ˆ s ) + λ2 ˆ s
MS2
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
4
C(cosθ, ˆ s )
Contributo piu’ rilevante per qql+l- : interferenza con SM
Contributo del canale ggl+l-
1000 3000
10 fb-1
ATL-PHYS-2001-012
A. Ghezzi 9Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Virtual exchange
Conteggio del numero di eventi con m(l+l-)>Mmin
Differente distribuzione in ()
€
S =N(MS,Mmin )
N(MS,Mmin ) + NSM (Mmin )
Possibilita’ di sfruttare asimmetrie FB per coppie l+l-
Ricerca analoga per le coppie di .
dN
d pp Limiti di scoperta per l+l- e combinati
MS = 4TeV
n MS 10fb-1 MS 100fb-1
2 7.0 TeV 8.1 TeV
3 6.3 TeV 7.9 TeV
4 5.7 TeV 7.4 TeV
5 5.4 TeV 7.0 TeV
Kabachenko, Miagkov, Zenin ATL-PHYS-2001-012
10fb-1
100fb-1
A. Ghezzi 10Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Warped ED: modello Randall-Sundrum (RS)
Modello con una sola extra dimensione (y),
due brane 4 dimensionali
Fattore di contrazione della metrica dipendente
dalla posizione nella extra dimensione
y = rc bulky=0
y
€
ds2 = e−2kyη μν dx μ dxν + dy 2
Fenomenologia (1):
Gravitoni massivi ( )
che decadono in coppie di leptoni o fotoni
risonanze a grandi Minv
per
coppie di leptoni o fotoni
Parametri del modello:
€
Λ =e−πkrc MPl
€
mn = kxne−πkrc
k~MPl
, Λ~ΛEW
krc~12
MG
= m1 e c = k/M
Pl
Campo scalare nel bulk radione
Azuelos et al. SN-ATLAS-2002-019
Gennai et al. CMS CR 2004/039
A. Ghezzi 11Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Modello RS : stato attuale
Limiti da misure sperimentali:
Ricerca di risonanze nella produzione di di-
leptoni o di di- a TeVatron :
Limiti dalla teoria:
• c<0.1 (consistenza)
• Λ<10 TeV (evitare gerarchia)
c 0.1 0.05 0.01
MG
(GeV)700 525 200
Regione
esclusac
MG
A. Ghezzi 12Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Modello RS: risonanze a LHC
Leptoni di alto pT risoluzione migliore per e
rispetto a .
Ricerca di risonanze (G) nella distribuzione di Minv di coppie di leptoni
Risultati analoghi per ATLAS (ATLAS-PHYS-2000-029)
m(1)=1,5-1,75-2,0 TeV
Contributo del canale G meno rilevante
(in particolare per “piccoli” valori di m(1) per il contributo
della risoluzione alla larghezza del piccoCollard, Lemaire CMS NOTE 2004/024
Fondo da produzione in DY molto limitato per alti valori di Minv
Identificazione e : isolato in cono R=0.5, h/e
<0,1, matching con traccia
Massa(GeV) NS NB
c=0.011100 236 401750 18.6 4.6
c=0.12000 856 8.83500 23.4 2.3
L=100fb-1, finestra 3 attorno al picco
A. Ghezzi 13Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Potenziale di scoperta per gravitoni RS
Limiti teorici
Con L=100fb-1
si puo’ coprire l’intera regione di interesse (fino a
c=0.01) studiando il canale Gee
CMS NOTE 2004/024
A. Ghezzi 14Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Modello RS: discriminazione da altri modelli
Studio dei branching ratio in altri canali, es G: universalita’ dell’accoppiamento.
Necessario studiare ||>1.5
Distribuzione angolare dei leptoni determinazione dello spin della risonanza
Sequenza dei picchi di risonanza G(k) non equispaziati ma…
solo il picco del primo stato risulta determinabile in modo significativo
cos(*)cos(*)
||<1.5||<2.4
Collard, Lemaire, Traczyk, Wrochna CMS NOTE 2002/050
A. Ghezzi 15Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Extra dimensioni con R~TeV-1
Si assume che solo i fermioni siano confinati nella brane, mentre i campi di gauge possono propagarsi in
extradimesioni compattificate su una scala dell’ordine del TeV-1.
Stati KK dei campi di gauge con accoppiamenti
analoghi a quelli dello SM e masse date da:
Limite sperimentale : Mc > 4 TeVParametri del modello : scala Mc
€
Mn2 = M0
2 + n2Mc2
Mc: scala fondamentale
Fenomenologia:
• risonanze “equispaziate” nello spettro di M(l+l-)
• deviazioni dallo spettro atteso per il SM lontano dalla risonanza per
interferenza torre KK con SM (~1/Mc2)
T. Rizzo PRD 61 (2000) 055005
Mc=5 TeV
Mc=6 TeV
Mc=4 TeV
Modelli con una sola extradimensione e
fermioni localizzati
• in un unico punto (modello M1) o
• in due punti opposti (modello M2)
A. Ghezzi 16Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Extra dimensioni con R~TeV-1
Dal Modello Standard:
circa 500 eventi
per m(e+e-) > 1 TeV con L =100 fb-1
Osservazione di risonanze nello
spettro di Minv
m(e+e-)
Mc = 4 TeV
Secondo livello KK (M~8TeV) non osservabile
Regione a sinistra del picco rilevante per
discriminare i modelli
m(l+l-)
e+e-
Mc = 4 TeV
Leptoni di alto pT :
risoluzione peggiore per che per eAzuelos, Polesello SN-ATLAS-2003-023
M1
M2
SM
A. Ghezzi 17Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Extra dimensioni con R~TeV-1
Limite su Mc dallo studio della regione del picco: sensibilita’ a 5 per Mc<5,8 TeV (L=100 fb-1)
Sfruttare le deviazioni dallo SM nella regione inferiore alla risonanza per alti valori di Mc
Sottrazione del fondo lontano dalla risonanza:
necessario conoscenza del fondo meglio del 10-15%
Analisi con likelihood tenendo conto della distribuzione in *
Analisi della regione non risonante: Mc limite
circa 8 TeV per L = 100 fb-1
circa 10.5 TeV per L = 300 fb-1
Mc=5TeV
SM
Sensibilita’ statistica: non include effetti
sistematici, quali la scala di E dei leptoni
SN-ATLAS-2003-023
elettroni e+
100 fb-1 200 fb-1 300 fb-1
9.5 TeV 11 TeV 13.5 TeV
A. Ghezzi 18Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
ConclusioniAmpie possibilita’ di indagine di extra dimensioni a LHC
Modello ADD
Studio dello spettro di missing ET e della produzione di di-l, di-
risultati competitivi con misure astrofisica per n>2
Modello Randall Sundrum:
Identificazione di stati KK di G tramite studio di di-l e di-
Possibilita’ di esplorare a LHC l’intera regione dei parametri (m1,c) permessa
Studio dello spin della risonanza
(Studio di scalari nel bulk)
Modelli con extra dimensioni di scala TeV-1
Identificare stati KK dei bosoni di gauge come risonanze in di-l e di-
Informazioni dallo studio dello spettro al di sotto della risonanza
A. Ghezzi 19Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
A. Ghezzi 20Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Discriminazione R~TeV-1 da altri modelli
Secondo livello KK non osservabile
Analisi dello spettro m(l+l-) nelle code
permette di discriminare i modelli
M2
M1
G*
Z’
m(e+e-)
Differenze nelle distribuzioni in * e
Asimmetrie forward-backward
asim
met
ria
m(e+e-)
M2M1
G*Z’
Risonanza a 4 TeV L=100 fb-1 (per Z(1)
)
SN-ATLAS-2003-023
SN-ATLAS-2003-023
A. Ghezzi 21Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Altre segnature di ED con R~TeV-1
modifica dell’equazione di rinormalizzazione:
Evoluzione anomala delle costanti di accoppiamento in
particolare SMz<Mc=1/R<Mgut
Effetti di stati KK per i gluoni: deviazioni dallo
SM per di-jet di alto PT
Significanza in funzione di Minv minima
€
S =NSM − NED
NSM
N= numero di jet con Minv fra
Mmin e MMax
C.B
alaza,B.L
aforge hep-ph/0110217
Contributo importante dalle incertezze su PDF (Ferrag hep-ph/0407303)
Bal
azas
et a
l., P
roce
edin
gs L
es H
ouch
es 2
003,
hep-
ph 0
4022
95
A. Ghezzi 22Università Milano Bicocca e INFN Milano
IFAE Catania, 31 Marzo 2005
Modello ADD: Separare n e MD
•MD 6 TeV n 2•MD 5 TeV n 3
missing PT1600600 1000
Run di LHC a diverse energie del CM …
21
n
totD D
sM M
⎛ ⎞
∝ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Pressoche’ indipendente da MD
Difficile separare la dipendenza da n e da MD
(10 TeV) / (14 TeV)