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 ee , , , jet jet 22 RS1 Discovery Limit Di-lepton states I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006 G1μ+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. G1e+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 ppZ1/1e+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