290 likes | 445 Vues
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
E N D
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
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
ATLAS and CMS Experiments Large general-purpose particle physics detectors Total weight 7000 t Overall Diameter 25 m Barrel toroid length 26 m End-cap end-wall chamber span 46 m Total weight 12 500 t Overall diameter 15.00 m Overall length 21.6 m Magnetic filed 4 Tesla Detector subsystems are designed to measure: the energy and momentum of photons, electrons, muons, jets, missing ET
Компактный Мюонный Соленоид - CMS Передний калориметр, HF Мюонные камеры Внутренний трекер Электромагнитный калориметр, ECAL Адронный калориметр, HCAL вес -14500 тон диаметр -14,60 м, длина -21,60 м, магнитное поле - 4 Тесла Сверхпроводящая обмотка соленоида диаметр 6 м, длина 13 м Возвратное железное ярмо
Surface building (SX) Delivered January 2000 Experimental cavern (UX) Ready April 2004? Service cavern (US) Pillar LHC tunnel Наземный и подземныекомплексы CMS Наземный зал SX5 Экспериментальный зал UX5 Зал управления и обслуживания US5 Тоннель LHC Защита
Принцип • “Матрешка” или “луковица” - структура детектирующих слоев размещенная в магнитном поле
Регистрация фундаментальных частиц SM Fundamental Particle Appears As (ECAL shower, no track) e e (ECAL shower, with track) (ionization only) g Jet in ECAL+ HCAL q = u, d, s Jet (narrow) in ECAL+HCAL q = c, b Jet (narrow) + Decay Vertex t W +b W + b e Et missing in ECAL+HCAL l + +l Et missing + charged lepton W l + l Et missing + charged lepton, Et~M/2 Z l+ + l- charged lepton pair l + l Et missing in ECAL+HCAL
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)
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)
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
Some theoretical uncertainties • QCD and EW high-order corrections (K factors) • Parton Distribution Functions (PDF) • Hard process scale (Q2) • Cut efficiency, significance estimators..
Неопределенности, связанные с PDF Феноменологическое происхождение PDF обуславливает одну из систематических погрешностей при измерении сечения процессов взаимодействия на эксперименте. • Оценки сечений для разных наборов • PDF дают разные значения, в пределах • погрешности +-7% для Mll>1 ТэВ • 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). STEQ6M: x=10-3 – 10-4, 2.6 (6) % u(d) кварк x=0.6-0.7 100%
Примеры анализа сигналов от моделей с дополнительными измерениями
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: • Large multiplicity due to small mass • splitting (~ 10-3 eV) enhances interactions is enough for experimental observation
ADD – обмен виртуальными гравитонами K. Cheung and G. Landsberg, PRD62 T. Ham, J.D. Lykken, R.-J.Zhang, PRD59
ADD Discovery limit • 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 Virtual graviton production 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
ADD Discovery limit jW(e/μ) s=14 TeV L=100 fb-1 jW(τ) jZ() • jet + G jet + high missing ET • Bckgr.: Z/W + jet jet + + /jet + l + • ISAJET with CTEQ3L • Fast simulation/reco Tot back Real graviton production =2 MD=4 TeV =2 MD=8 TeV =3 MD=5 TeV MD= 7.7, 6.2, 5.2 TeV for n = 2,3,4 =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
RS1 Model L.Randall, R.Sundrum (RS scenario), PRL83 3370 (1999) 5D curved space with AdS metric: Model Parameters: Curvature: k (~M) Compactification radius: r Coupling constant: c = k/Ml Gravity scale : Λπ=Mle-krπ Signals: Narrow, high-mass resonances states in di-leptons, di-jets, di-photons events:
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. • Misalignment, trigger and off-line reco inefficiency, pile-up G1e+e- B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083 CMS PTDR 2006
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- • 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. • Preselection inefficiency G1 c=0.1 Di-jet states • Bckg: QCD hadronic jets • L1 + HLT(riger) cuts 5 Discovered Mass: 0.7-0.8 TeV/c2
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 • 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 G. Azuelos, G. Polesello EPJ Direct 10.1140 (2004) ppZ1/1e+e-
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 • PYTHIA/PHOTOS with CTEQ61M • LO + K=1.30 for signals, LO + K-factors for bckg. • Full (GEANT-4) simulation/reco • L1 + HLT(riger) cuts • Theoretical uncert. • Low luminosities pile-up (M1 model) B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083 CMS PTDR 2006 ATLAS expectations for e and μ: PYTHIA + Fast simu/reco + Theor. uncert. R-1 = 5.8 TeV @100 fb-1
Angular distributions Spin-1/Spin-2 Discrimination Spin-1 States:Z from extended gauge models, ZKK Spin-2 States:RS1-graviton Z’ vs RS1-graviton I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006
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 systemsallows 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.