Е. Седых, ЛАФ ОФВЭ ПИЯФ Поиск тяжелых векторных бозонов Z' и Z * в эксперименте ATLAS на ускорителе LHC. - презентация

1 Е. Седых, ЛАФ ОФВЭ ПИЯФ Поиск тяжелых векторных бозонов Z' и Z * в эксперименте ATLAS на ускорителе LHC

2 План доклада Мотивация; Модели, в которых появляются тяжелые калибровочные бозоны Z; Новая модель – возбужденный киральный бозон Z * (М. Чижов, ОИЯИ); Поиск тяжелых бозонов Z и Z * в эксперименте ATLAS.

3 Мотивация Множество моделей предсказывают существование тяжелых калибровочных бозонов; Есть основания считать, что хотя бы один из них достаточно лёгкий (~ 1 ТэВ): Обеспечение устойчивости массы Хиггс-бозона требует существования частиц с массой ~1 ТэВ для сокращения расходимостей во втором порядке ТВ (проблема иерархии); Самые простые каналы для поиска Z ee, Z μμ: Вклад данных каналов в сечение небольшой, но зато отсутствует фон от струй. Низкий фон (в основном от процесса Дрелла-Яна - неустранимый); Относительно большое сечение ( пб для mZ,* 1 ТэВ) позволит обнаружить или поставить ограничения на массу и взаимодействия с известными частицами уже на начальном этапе работы LHC.

4 Стандартная модель Электродинамика: группа U(1) em – 1 фотон, r=1 Электрослабая теория: группа SU(2) L ×U(1) Y – 4 безмассовых калибровочных бозона до нарушения симметрии (после нарушения фотон, W ±, Z 0 ), r=1+1=2 Квантовая хромодинамика: группа SU(3) C – 8 глюонов, r=2 Стандартная модель = КХД + Электрослабая теория группа SU(3) C ×SU(2) L ×U(1) Y, r=2+1+1=4

5 Теории великого объединения Объединение в электрослабой теории не полноценно, т.к. вводится две существенно разные константы связи, которые связаны через угол Вайнберга и отвечают двум отдельным частям модели – SU(2) L и U(1) Y. Для полноценного объединения и введения единой константы взаимодействия нужна простая группа, включающая в себя SU(2) L ×U(1) Y. Соответственно, чтобы получить ТВО с одной константой связи, необходимо найти группу, включающую в себя SU(3) C ×SU(2) L ×U(1) Y с рангом не менее 4.

6 Группы для построения ТВО E6E6 DnDn A n = SU(n+1) D n = SO(2n) A 4 = SU(5) D 5 = SO(10) AnAn В 1974 впервые была предложена ТВО на основе группы SU(5) (Glashow, Georgi). Почему именно такая группа? 1)Группа должна включать в себя СМ ранг группы 4; 2)Группа должна содержать представления в виде комплексных матриц. SU(5) является минимальной подходящей группой. Кроме того существуют ТВО на основе других групп (важное обобщение – группа E 6 ). n4

7 Часто используемые модели c Z – ТВО - 1 В общем случае, если E 6 SO(10) ×U(1) ψ SU(5)×U(1) ψ ×U(1) χ Z(θ)= Z ψ cos θ + Z χ sin θ Z(θ)= Z ψ sin θ - Z χ cos θ – для простоты будем считать очень тяжелым и ненаблюдаемым на LHC. Обычно рассматривают особые случаи: Z ψ : θ =0°, Z = Z ψ Z χ : θ =90°, Z = Z χ Z η : θ =37,76° Z I : θ =127,76° Z sq : θ =113,28° Z N : θ =-14,48° Из суперструнных теорий SUSY, генерация масс нейтрино

8 Другой тип моделей ТВО – лево- правые симметричные модели (LRSM, Left-Right Symmetric Model) с группами SU(4) C ×SU(2) L ×SU(2) R (Pati, Salam) или SU(3) C ×SU(2) L ×SU(2) R ×U(2) B-L или SU(3) C ×SU(2) L ×SU(2) R Часто используемые модели c Z – ТВО - 2

9 Кроме того, пользуются популярностью и другие модели, в которых возникает Z: 1)т.н. модели с малым Хиггсом; 2)Модели с динамическим нарушением симметрии (вводятся новые типы взаимодейтвий, например новый Z предпочитает взаимодейстовать с 3-им поколением, за счет чего происходит нарушение симметрии); 3)Дополнительные пространственные измерения; 4)Теория суперструн; 5)Суперсимметричные варианты моделей; 6)-N) …. Часто в качестве самой простой модели используется также тяжелый аналог Z (SSM, Sequential Standard Model), хотя такая возможность отвергается теорией. Часто используемые модели c Z – ТВО - 3

10 Новая модель – возбужденный Z * - 1 М. Чижов (ОИЯИ) предложил искать другой тип векторных частиц, испытывающий тензорные взаимодействия – возбужденные бозоны Z *. Одним из объектов для поиска являются возбужденные состояния фермионов (e *, q *,…): Возможно также ввести возбужденные бозонные состояния: Взаимодействие Z * с лептонами отличается от Z:

11 Новая модель – возбужденный Z * - 2 Z L L L L Z*Z* R LL R Z L L L L Новый тип частиц смешивает левые и правые фермионы, т.е. несет киральный заряд (или не сохраняется киральность во взаимодействиях).

12 Новая модель – возбужденный Z * - 3 Некоторые свойства позволяют отделить Z * от Z: 1)Угловое распределение в системе Коллинса-Сопера: 2) Распределение лептонов по поперечному импульсу: e e e e d L,R Z d R,L d L,R Z*

13 Текущие ограничения Ограничения на массу Z получены из двух источников: 1)Прямой поиск в экспериментах (CDF – лучшие ограничения). 2)Поиск отклонений от СМ при изучении электрослабых взаимодействий.

14 Ограничения D0

15 Сечения m Z, Z* ТэВ σ (Z * ee), фб 25728,53,8 10 ТэВ σ (Z * ee), фб ТэВ σ (Z ee, SSM), фб 25176,1- 14 ТэВ σ (Z ee, SSM), фб

16 Источники фона После требований: 1)Струя – фактор режекции 4000, фотон – 10; 2)|η|65 ГэВ. Неустранимый фон: процесс Дрелла-Яна Устранимые источники фона: jets, W + jets, W + γ, Z + jets, Z + γ, γ+ jets, γγ Остальные источники фона пренебрежимо малы (

17 Моделирование отклика детектора Были официально произведены 5000 событий Z * (m=1 ТэВ), события для Z разных масс находятся в официальном списке production физической группы по экзотике (SSM) и были произведены ранее. Все данные доступны в GRID. В данный момент ведется работа по созданию наборов данных по Z* для других масс (для энергии столкновений 7 ТэВ). Для генерации событий использовались: Z : Pythia Z * : CompHep + Pythia (в Pythia отсутствует возможность генерации Z * ) Для моделирования детектора, получения отклика и реконструкции использовалось стандартное ПО ATLAS.

18 Условия отбора событий Применяются следующие условия отбора: 1)2 кандидата в электроны с |η|65 ГэВ; 5)Сработал триггер (т.н. e55); 6)Объекты имеют противоположные заряды. Для Z* применялись немного другие условия отбора:

19 Результаты (Монте-Карло) Сравнение Z SSM и Z * :

20 Результаты (Монте-Карло)

21 Эффективность реконструкции электронов p T

22 Требуемая светимость Различные модели ZВозбужденный Z * (1000 ГэВ) Для энергии LHC 7 ТэВ, которая планируется в течение первых 2 лет, сечения падают в ~2 раза по сравнению с 10 ТэВ и в ~4 раза по сравнению с 14 ТэВ.. Для 5σ открытия резонанса массой 1 ТэВ при 3,5 + 3,5 ТэВ … Z * необходимо набрать ~20 пб -1 ; Z необходимо набрать ~ пб -1 ; Для разделения Z/Z*/другие резонансы соответственно нужно в несколько раз больше статистики (~0.5 фб -1 ). На LHC планируется набрать порядка 1 фб -1 за ~2 года работы. 10 ТэВ14 ТэВ

23 Подготовлена note

24 Дополнительные слайды

25 Классификация алгебр Ли E6E6 E7E7 E8E8 AnAn BnBn CnCn DnDn F4F4 G2G2 Классификация алгебр Ли проведена Картаном, Вейлем, завершена Мальцевым и Дынкиным. Диаграммы Дынкина (1952) удобны для представления алгебр Ли. ранг

26 Алгебры Ли в ТВО E6E6 AnAn DnDn A n = SU(n+1) D n = SO(2n) A 4 = SU(5) B 5 = SO(10) E 6 – самая популярная группа для ТВО, включает: SU(5) – минимальная ТВО (Glashow, Georgi, 1974), исключена экспериментально (LEP, распад протона); SO(10) – популярная группа для ТВО; SU(4), SO(8) – менее популярные ТВО; более привычные группы – SU(3), SU(2), U(1) – используется во многих ТВО.

27 Collins-Soper frame Oleg Fedin 23-March-09 Lepton+x meeting CS frame is a particular rest frame of the lepton pair z axis is bisects the angle between p 1 and p 2 general form for cos CS (see arXiv: ) for graviton (spin=2) production via gluon A=0,B=-1, via quarks A=-3,B=4 Scalar resonance decay into ee A=B=0 (SM background) Vector (Z) A=, B=0 (for SM =1) Z* C=B=0, A 0. Parameter C is needed to discovery Z* boson