1 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

2 Большие дополнительные пространственные измерения: многомерная ТП и гравитация масштабе ТэВ. Савина Мария ЛФЧ, ОИЯИ Лекция 4: Экспериментальное наблюдение сигналов от новой физики Краткий план: Э кспериментальные 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 с игналов от разных моделей с ED

3 Экспериментальные установки на LHC

4 Большой Адронный Коллайдер, LHC

5 Total weight 7000 t Overall Diameter 25 m Barrel toroid length 26 m End-cap end-wall chamber span 46 m Total weight t Overall diameter m Overall length 21.6 m Magnetic filed 4 Tesla Large general-purpose particle physics detectors ATLAS and CMS Experiments Detector subsystems are designed to measure: the energy and momentum of photons, electrons, muons, jets, missing E T

6 Мюонные камерыВнутренний трекер Электромагнитный калориметр, ECAL Адронный калориметр, HCAL Передний калориметр, HF Сверхпроводящая обмотка соленоида диаметр 6 м, длина 13 м Возвратное железное ярмо вес тон диаметр - 14,60 м, длина - 21,60 м, магнитное поле - 4 Тесла Компактный Мюонный Соленоид - CMS

7 Наземный и подземные комплексы CMS Surface building (SX) Delivered January 2000 Experimental cavern (UX) Ready April 2004? Service cavern (US) LHC tunnel Pillar Наземный зал SX5 Экспериментальный зал UX5 Зал управления и обслуживания US5 Тоннель LHC Защита

8 Поперечный разрез детектора CMS

9 Принцип Матрешка илилуковица - структура детектирующих слоев размещенная в магнитном полеМатрешка илилуковица - структура детектирующих слоев размещенная в магнитном поле

10 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

11 Поперечный разрез детектора CMS

12 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)

13 Di-lepton, di-jets and di-photon resonance states (new particles) in RS1-model (RS1-graviton) and TeV -1 extra dimension model (Z KK ) Di-leptons, di-jets continuum modifications (virtual graviton production in ADD) Single Jets/Single Photons + Missing E T (direct graviton production in ADD) Single Leptons + missing E T in W KK decays in TeV -1 extra dimension model (W KK ) Back-to-back energetic jets + Missing E T (UED) 4 jets + 4 leptons + Missing E T (mUED) Di-lepton, di-jets and di-photon resonance states (new particles) in RS1-model (RS1-graviton) and TeV -1 extra dimension model (Z KK ) Di-leptons, di-jets continuum modifications (virtual graviton production in ADD) Single Jets/Single Photons + Missing E T (direct graviton production in ADD) Single Leptons + missing E T in W KK decays in TeV -1 extra dimension model (W KK ) Back-to-back energetic jets + Missing E T (UED) 4 jets + 4 leptons + Missing E T (mUED) Experimental Signals

14 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 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

15 Some theoretical uncertainties QCD and EW high-order corrections (K factors) QCD and EW high-order corrections (K factors) Parton Distribution Functions (PDF) Parton Distribution Functions (PDF) Hard process scale (Q 2 ) Hard process scale (Q 2 ) Cut efficiency, significance estimators.. Cut efficiency, significance estimators.. QCD and EW high-order corrections (K factors) QCD and EW high-order corrections (K factors) Parton Distribution Functions (PDF) Parton Distribution Functions (PDF) Hard process scale (Q 2 ) Hard process scale (Q 2 ) Cut efficiency, significance estimators.. Cut efficiency, significance estimators..

16 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 M ll >1 ТэВ 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 – % 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= %

17 Примеры анализа сигналов от моделей с дополнительными измерениями

18 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) Infinite tower of KK graviton excitations G (K) with m 2 k 2 /R 2 (very light) and spin 2 Interaction of an individual state G (K) with SM fields is strongly suppressed by 1/M Pl. But: Our world is (4+d) dimensional SM fields live on the 4D-brane while gravity can propagate in n flat extra compactified dimensions Large multiplicity due to small mass splitting (~ eV) enhances interactions is enough for experimental observation

19 K. Cheung and G. Landsberg, PRD62 T. Ham, J.D. Lykken, R.-J.Zhang, PRD59 ADD – обмен виртуальными гравитонами

20 Virtual graviton production ADD Discovery limit 1 fb -1 : ТеV for n= fb -1 : ТеV for n= fb -1 : ТеV for n= fb -1 : ТеV for n=6..3 I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/076 CMS PTDR 2006 I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/076 CMS PTDR 2006 Confidence limits for 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

21 s=14 TeV L=100 fb -1 E T miss (GeV) jW(e/μ ) jW(τ ) jZ( ) Tot back =2 M D =4 TeV =2 M D =8 TeV =3 M D =5 TeV =4 M D =5 TeV ADD Discovery limit Real graviton production jet + G jet + high missing E T Bckgr.: Z/W + jet jet + + /jet + l + ISAJET with CTEQ3L Fast simulation/reco M D = 7.7, 6.2, 5.2 TeV for n = 2,3,4 M D = 1 – 1.5 TeV for 1 fb TeV for 10 fb TeV for 10 fb TeV for 60 fb TeV for 60 fb -1

22 RS1 Model Model Parameters: Curvature: k ( ~ M) Compactification radius: r Coupling constant: c = k/M l Gravity scale : Λ π =M l e -kr π Model Parameters: Curvature: k ( ~ M) Compactification radius: r Coupling constant: c = k/M l Gravity scale : Λ π =M l e -kr π L.Randall, R.Sundrum (RS scenario), PRL (1999) L.Randall, R.Sundrum (RS scenario), PRL (1999) 5D curved space with AdS metric: Signals: Narrow, high-mass resonances states in di-leptons, di-jets, di- photons events: Signals: Narrow, high-mass resonances states in di-leptons, di-jets, di- photons events:

23 RS1 Discovery Limit 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 Di-lepton states I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006 I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006 B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083 CMS PTDR 2006 B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083 CMS PTDR 2006 G 1 μ + μ - G 1 e + e - c= fb -1 c= fb -1

24 Bckg: QCD hadronic jets L1 + HLT(riger) cuts RS1 Discovery Limit 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 Di-photon states G 1 G 1 Di-jet states 5 Discovered Mass: TeV/c 2 c=0.1

25 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: M S ~ 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 I. Antoniadis, 1991 Multi-dimensional space with orbifolding (5D in the simplest case, n=1) The fundamental scale is not planckian: M S ~ 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 pp Z1/ 1 e + e - G. Azuelos, G. Polesello EPJ Direct (2004)

26 5 discovery limit of (M1 model) ATLAS expectations for e and μ: PYTHIA + Fast simu/reco + Theor. uncert. R -1 = 5.8 fb -1 B. Clerbaux et al. CMS NOTE 2006/083 CMS PTDR 2006 Di-electron states (Z KK decays) TeV -1 ED Discovery Limits 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

27 Spin-1 States: Z from extended gauge models, Z KK Spin-2 States: RS1-graviton Spin-1/Spin-2 Discrimination Angular distributions I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006 I. Belotelov et al. CMS NOTE 2006/104 CMS PTDR 2006 Z vs RS1-graviton

28 LHC Start-up Expectations Model Mass reach Integrated Luminosity (fb -1 ) Systematic uncertainties ADD Direct G KK M D ~ TeV, n = 3-6 1Theor. ADD Virtual G KK M D ~ TeV, n = 3-6 M D ~ TeV, n = Theor.+Exp. RS1di-electronsdi-photonsdi-muonsdi-jets M G1 ~ TeV, c= M G1 ~ TeV, c= M G1 ~ TeV, c= M G1 ~ TeV, c= Theor.+Exp. (only stat. for di-jets) TeV -1 (Z KK (1) ) M z1 < 5 TeV 1Theor. UED 4 leptons R -1 ~ 600 GeV 1.0Theor.+Exp. Thick brane R -1 = 1.3 TeV 6 pb -1

29 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. 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.