fisica ai nuovi acceleratori · 23/04/2003 p. checchia lecce ifae03 2 tempo
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 1
Fisica ai nuovi acceleratoriSommario
Ringraziamenti a quanti hanno fornito informazioni e materiale. In particolare: LEP EWWG, LEP HiggsWG, R. Chierici, M. Ciuchini, K Desch, P. Ferrari, C.Mariotti, K. Moenig, F.Parodi, F. Simonetto,……
dopodomani(futuro proposto)
domani (futuro approv.)
oggi
nuova
…+Higgs
standard (e consolidata)
tempo <τf
F isi
ca
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 2
tempo <τf
F isi
ca
LCB-factories,TeVatron RunII, BTeV,LHC
LEP/SLD HERA B-factoriesTeVatron RunI…
Oltre il M.S. (SUSY, G.Q., alternative…)
…+Higgs
E.W.-misure di precisione, b(CKM)
Sommario
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Quale LC ?quello per cui c’è maggior consenso:
•E iniziale 500 GeV con possibilità di scendere alla Z0
•Luminosità elevata (L > 1034 cm-2 s-1)
•Polarizzazione di entrambi i fasci
•Energia aumentabile fino a circa 1 TeV
•Una o due zone di interazione (con opzione e-e-, eγ, γγ)
TESLA JLC-C JLC-X/NLC CLIC
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Sommario tempo <τf
F isi
ca
LCB-factories,TeVatron RunII, BTeV,LHC
LEP/SLD HERA B-factoriesTeVatron RunI…
Oltre il M.S. (SUSY, G.Q., alternative…)
…+Higgs
E.W.-misure di precisione, b(CKM)
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EW: Misure di precisione
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Oggi: da dove si parte?E.W.:
P(χ2)*=4.4% (25.5/15)mH=91+58
-37 GeV mHiggs< 211 GeV 95% L.d.C.
LEP EWWG
*
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7
Oggi → domani
∆mt=2 GeV (Run IIa)∆mt=1-2 GeV (LHC)
con 2 fb-1:
E.W.:
• statistica x 20
• nuovo metodo (usa tutti gli osserv.) x 2.5
• miglior b-tagging
• miglior comprensione dell’energia dei jet
• miglior comprensione ISR/FSR
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dopodomaniLC:top
errori teorici: 100-200 MeVerrori
sperimentali: <100 MeV
massa dalla cinematica
produzione in soglia
∆mt (stat)=100 MeV con ∫L=300 fb-1
massa inv. 3 jet
+ fisica del top…
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9
dopodomaniLC:misure di precisione
GigaZ*
•alta luminosità: 109 Z0 in 50-100 giorni (L ~ 1033 cm-2 s-1)
•polarizzazione ⇒ con
•risultato indipendente da misura polarizzazione:
W in soglia•con 100 fb-1 e
•polarizzazione: usando diversi stati fondi direttamente dai dati
•con syst=0.25%∆MW=6 MeV (LHC: 15 MeV)
LEP/SLD: 1.7 •10-4
*per approfondire vedi presentazione. M. Paganoni
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10
dopodomani
ma arrivare dopodomani a questi livelli di precisione
implica già da oggi lavoro per teorici:
•α(mZ): serve σ (e+e- →qq) all’1% fino alla Y
•mW: correzioni a 2-loop complete + 3-loop dipendenti da mt
•sin2θleff : non ancora compl. 2-loop;
∆sin2θleff ~8•10-5 >>promessa
sperimentaleLC
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Z`:
Oggi → domani → dopodomani
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accoppiamenti di gauge:
Oggi → domani → dopodomani
300 fb-1
900 fb-1 1500 fb-1
sensibili a modelli con rottura forte della simm e.d.
Pe-=80%, Pe+=60%
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 13
b e CKM
scenario considerato:
B- factories Tevatron LHC+BTeV
•2006 2x500 fb-1 Run IIa
•>2007 migliorie min.: Run IIb ~1 anno
entro 2009 2ab-1
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Oggi: da dove si parte?b:
Lati:
∆md= ±O(%)
Vcb =±O(%)
Vub=±<15% ∆ms= ?
Angoli : sin2β= ±.06 sin2α= ±.3 ±δp
poco spazio per migliorare l’impatto sul triangolo
}
A. Stocchi…
γ β
α
ricorda:
[ ]2
22
)()1(
dd BB
d
Bfm∆
∝+− ηρ errore da
teoria
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Oggi → domani
Vub :b-factories: eventi con l’altro B completamente ricostruito
esclusivi: B → ρ,π lνlimiti: statistica*, σ(reticolo) ∆→7-10%
inclusivi: B → xu lνlimiti: statistica(↓),fondi, spettri ∆→7%
∆→ 5%??
Brecoil
νBrecoD(*)
π Y(4S) l
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Oggi → domani∆ms : colliders adronici
CDF Run IIa requisiti sperimentali:
•risoluzione tprop→ canali esclusivi→ Bs→ Ds(3)π →σt=45 fs (SVX+LOO)
•flavor tag →εD2=5.7% (senza TOF) →εD2=11.3% (con TOF)
•S/B → 0.5-2
sensibile fino a ∆ms ∼20 ps-1
con σ( ∆ms)<1%
CDF Run IIb , BTeV, LHC(b): sensibile fino a ∆ms ∼60 ps-1
ma:
%5≈VtsVtd th:
ξ=1.xx±.o5 ?chiral logs?ATLAS
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23/04/2003 17
Oggi → domanisin2β da ΨKs :
canale migliore sia sperimentale che teorico
0.020.030.020.020.040.02>t0LHC
0.060.032006
0.06oggi
BTeVLHCbCMS ATLASCDFB fact
σ∼0.01
Errori aspettati
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Oggi → domanisin2β da φKs :
0.070.150.12>t0LHC
?0.182006
0.41oggi
BTeVLHCbCMS ATLASCDFB fact
Risposte interessanti a
breve
sin2β (Ψ Ks)= 0.73±0.06 sin2β (φKs )= -0.39±0.41 !?
piccolo contributo da
pinguini
SUSY: può essere diverso!*
* ∆ fase 0.01-0.7
NB: Errori dominati da
statistica
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Oggi → domanialtri angoli: analisi complesse per scorporare incertezze teoriche;
es.:αeff (da Bd → ππ)=α+δp
in generale: B fact. sempre competitive escl. canali da Bs; es. (altro triangolo): sin(2δγ) da Bs→ J/ψη(’) (calorimetria)
BTeV 5anni
canali rari:
spettro di possibilità; B-fact/pp favorite a seconda dei casi….
B → µµ, K(*)µµ, K(*)γ, τν, Kνν, inclusivi…
σ sin(2δγ)Run IIa 0.1 LHCb 0.05 BTeV (1anno) 0.025
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dopodomani
nonostante la precisione di misura che ci si deve aspettare dal rivelatore al LC, anche nell’ipotesi GigaZ, il LC non è competitivo con quanto aspettato dagli esperimenti appena descritti; es.:
∆ sin2β =0.04
ma sarebbe possibile determinare gli elementi |Vui| e |Vci| (i=d,s,b) dal decadimento del W con precisione comparabile o maggiore sia di quella di oggi che di quella ipotizzabile per allora ( senza imporre l’unitarietà della matrice)
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tempo <τf
F isi
ca
LCB-factories,TeVatron RunII, BTeV,LHC
LEP/SLD HERA B-factoriesTeVatron RunI…
Oltre il M.S. (SUSY, G.Q., alternative…)
…+Higgs
E.W.-misure di precisione, b(CKM)
Sommario
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Oggi: da dove si parte?Higgs:
LEP: 1-CLb =0.08
CLs+b =0.15
mH>114.4 GeV al 95% CL
LEP: Procedura “standard”: rapporto Q= L(s+b) /L (b)
<2σ!Finale
s+b preferito da 115 in su
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Oggi → domaniHiggs: TeVatron vs LHC
chi arriva prima?
•fusione gg dominante ma
•qqH , ttH permettono riduzione fondi
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Oggi → domaniHiggs: per entrambi: sommare vari canali
canali**:HW→lνbb 1.7*HZ →ννbb 1.4*HZ →llbb 0.9*
*S/√B per mH=120 con 2 fb-1
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domani → dopodomaniHiggs: profilo una volta trovato tutti i parametri da misurare
LHC LC
∆mH/mH=9x10-4 a 120 GeV
Z0H →qqbb
∆mH/mH=3x10-4 a 120 GeV
massa
fissata la massa, nel MS tutti gli altri parametri sono determinati
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26
domani → dopodomaniHiggs: profilo misurare gli accoppiamenti con
FermioniBosoni di gauge
MS
Al LC:
ma in MSSM
significa determinare la natura dell’Higgs
capire la natura della rottura della simmetria elettrodebole è UN punto di forza del programma LC
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 27
dopodomani
es:
fit globale a tutte le misure LC (σHZ,σHνν,B.R., correlazioni) fornisce
accoppiamenti in modo model independent
Higgs: profilo
µVTX**
Ejet**
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 28
dopodomaniHiggs: profilo
interpretazione congiunta LHC-LC utilissima
(LHC/LC group Aprile 2002):• σ(tth)*BR(bb) a LHC e BR(bb) a LC (500 GeV) permettono misura dell’accoppiamento di Yukawa del top• alta precisione nelle misure di un Higgs leggero possono guidare LHC: dipendenza dei BR da MApossono indicare a LHC la regione di massa di interesse (ricorda LEP→top)
es: ∆(BR(cc)/BR(bb))∼8.2%⇒MA>600 GeV @ 95%CL
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 29
domani → dopodomaniHiggs: altri stati MSSM
buco
solo h0
entra in gioco precisione LC
2HDM : 5 stati h0,H0,A,H±
scoperta a 5 σ
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 30
tempo <τf
F isi
ca
LCB-factories,TeVatron RunII, BTeV,LHC
LEP/SLD HERA B-factoriesTeVatron RunI…
Oltre il M.S. (SUSY, G.Q., alternative…)
…+Higgs
E.W.-misure di precisione, b(CKM)
Sommario
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 31
oltre il M.S.Teoria⇒elevato numero di modelli con implicazioni fenomenologiche e svariati scenari sperimentali es.:
SUSY quale rottura?
Gravity Mediated →mSUGRA…..
Gauge Mediated(GMSB) → quale NLSP
Anomaly Mediated(AMSB)
Rp conservata?
Higgs non M.S. (2HDM+fermiofobico,H±±)
Gravità quantistica (↑)
e poi: accoppiamenti anom.FCNCaltri bosoni Z′QED non commutativa interazioni di contattoTechnicolor
Da sequenza di no deviation from SM expectationsal prezzo di non presentare l’enorme quantità di lavoro
Oggi: da dove si parte?
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 32
SUSY
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 33NB: L’Energia più alta dà il massimo potenziale di scoperta per molte ricerche
Oggi → domani
•da HERA Tevatron LEP/SLD…. limiti alle varie teorie difficoltà per alcune ( es. technicolor)
•Tevatron RunII ragionevoli possibilità di scoperta es:
• LHC in grado di scoprire SUSY se alla scala elettrodebole molti canali aperti in particolare per squarks e gluini
ma anche gaugini e sleptoni:0
10
1~~~~ χχ−+−+ →→ llpp LL ll
01
01
021
~~~~ χχυχχ −+±± → lll
In ogni caso energia mancante ingrediente fondamentale
SUSY:
T. Kawamoto LEP Jamboree 22/7/2002
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 34
domaniSUSY:
LHC: 5 σ per gq ~,~∫Ldt=100 fb-1
A0=0 tanβ=35 µ>0
selezione:
•jet con alto ET (>40 GeV)
•grande ETmiss (>200 GeV)
•alto numero di b
•leptoni isolati (0-3)
CMS raggiunge ~ 2.5 TeV per squark/gluino
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domaniSUSY:
ricerca sleptoni LHC: 5 σ per gaugini
selezione:
•grande ETmiss (>50-100 GeV)
•>2 leptoni stesso sapore
3 leptoni + ETmiss ( no jets)
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dopodomaniSUSY: se (Tev.) LHC scopre Supersimmetria
LC macchina per:•controllo indipendente
• misure precise di masse, accoppiamenti, num. quantici,angoli di mixing, CP….
grazie a:
• ambiente pulito
•energia regolabile
•polarizzazione (P-~80%P+~60%)
•opzioni e-e-, eγ, γγ
δm ~0.3% δm<0.1 δΓ ~0.1 GeV
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 37
dopodomaniSUSY: se (Tev.) LHC scopre Supersimmetria
LC macchina per:• input sperimentali alle analisi di LHC
ATLAS TDRmisure precise al LC di masse LSP migliora la
risoluzione in massa di stati più pesanti a LHC
da fit combinato spettro di massa (LC)- sezioni d’urto (LHC) si estraggono parametri SUSY con errori correlati→estrapolazione alla scala GUT
mSUGRA GMSB
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Gravità Quantistica
La scala di Planck potrebbe essere dell’ordine del TeV e la gravità forte a tale scala se vi fossero dimensioni spaziali extra lungo le quali la gravità può propagarsi (tramite gravitoni di Kaluza-Klein GKK) mentre il resto del nostro mondo SM rimarrebbe confinato nelle usuali 3+1 dimensioni.
G’N = 1 / MS2 con MS ~ 1 TeV
MPl = MDn+2 Rn
MD : massa di Planck in [4+n]dim.,MS : scala di massa, MS ~ λMD con |λ|∼ 1MPl : massa di Planck nelle usuali 4 dim.R : raggio di compattificazione delle dim. extra
NB! σ crescono con E
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Oggi → domaniGravità Quantistica(e dimensioni extra):
• emissione GKK reale, stato finale γ-jet*, ET
se MS ∼TeV la G.Q. può esser vista a Tevatron/LHC:
• virtuale, stato finale 2 γ, 2 l
γ
g,q
g,q
LHC con ll e γγ MSmax=6-8 TeV
MS = 2 - 3 TeV (Runs IIa , IIb)
n=4 MS > 0.55 TeV
n=6 MS > 0.58 TeV
n=8 MS > 0.60 TeVe
e
LEP:MS > 1.20 TeV (λ =+1), > 1.09 TeV (λ =-1)
* vedi GMSB, G1/2 superleggero
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dopodomaniGravità Quantistica(e dimensioni extra): Al LC a √s= 800 GeV simile
potenziale di scoperta:• GKK virtuale, stato finale 2 µ, 2 b
MSmax<8
TeV
• polarizzazione trasversa del fascio: asimmetria in azimuth dipendente da cosθ asimmetrica solo per scambio tensore (es gravitone)
SM
Possibilità di distinguere GKK da Z`fino a MS<10 TeV
sensibile a MS<10 (22) TeV per √s= 500 (1000) GeV
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Futuro proposto: considerazioni riassuntive*
se al Tevatron/ LHC:1. Trovato un Higgs leggero (<140 GeV) e SUSY:
a LHC, LC(500 GeV), LC(800 GeV, 1 TeV)
• misura proprietà Higgs ( m,Γ,BR,numeri quantici…)
• trova e misura tutte le sparticelle accessibili
• determina i parametri di SUSY con estrap. alla fisica alle scale più alte
2. Trovato un Higgs ma non SUSY:
a LHC, LC(500 GeV)
• misura le proprietà dell’ Higgs con la massima precisione: cerca effetti oltre il MS direttamente dal settore dell’Higgs
a bassa energia (GigaZ)
• misure di alta precisione alla Z0 e WW per ulteriori indicazioni di nuova fisica
a LHC, LC(800 GeV, 1 TeV)
•studia accoppiamenti ttH, WW scattering, nuove evidenze…. * vedi F. Piccinini
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Futuro proposto: considerazioni riassuntive
se al Tevatron/ LHC:3. Trovato nulla:
a LC(500 GeV)
• tappa eventuali buchi per l’Higgs a LHC
• studia accoppiamenti WWV
• studia accoppiamenti top
a bassa energia (GigaZ)
• misure di alta precisione alla Z0 e WW per capire dove il MS non funziona
a LC(800 GeV, 1 TeV)
• misura di precisione ff (Z’, temini di contatto)4. Trovato Higgs, SUSY e altro:
a tutte le macchine, tutte le energie…..
• lungo programma di lavoro
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Futuro proposto: considerazioni riassuntive
• in nessuno degli scenari precedenti un Linear Collider si rivelerebbe inutile
• requisiti indispensabili quali intervallo in Energia, alta luminosità, polarizzazione dei fasci, qualità del rivelatore godono ormai di largo consenso
• il funzionamento in sovrapposizione con LHC potrebbe risultare di fondamentale importanza per entrambi
• tuttavia la strada da percorrere è lunga e non semplice
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Conclusioni
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Menù per domani:
Massa del top con precisione di 2 GeV
Oscillazioni del B0s all’errore della teoria
Vub al 5%
sin2β con possibili novità
altri angoli di Bellezza e rarità
a seconda dei favori della stagione
Higgs in tutte le salse
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Banchetto di dopodomani:
Sorprese a non finire
e/o
lavori di fino per tutti
da tenerci impegnati per tutta la vita
cerchiamo i soldi per pagare il conto
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B. Foster ECFA
La lunga via per un LC
lastricata di comitati
International. Comm. ForFuture Accelerators
ICFA
European Comm.for Future Acceler.
Asian Comm.for Fut. Acc.
US HEPAdv. Panel
Techn. Rev.Committee
International LCSteer. Comm.
ILCSC
European LCSteering Comm.
Asian LCSteering Comm.
US LC Steering Comm.
AcceleratorSub panel
Sub Group on Organ.& Manag.
Physics&Detectors
Outreach
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23/04/2003 P. Checchia Lecce IFAE03 51