Producción De S-Quarks Y Gluínos En El Experimento CMS

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1 Revista Colombiana de Física, Vol. 4, No. de. Producción De S-Quarks Y Gluínos En El Experimento CMS S-Quarks And Gluinos Production In he CMS Experiment L. Huertas *a, J. Betancourth a, J. C. Sanabria b, C. Ávila b, B. Gómez b a Universidad de Nariño, Pasto, Colombia. b Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Recibido 9..; Aceptado..; Publicado en línea Resumen Una búsqueda de s-quarks y gluinos en colisiones proton-proton a energía centro de masa de 4 ev, similar a las que llevará a cabo el experimento CMS del acelerador LHC, es simulada usando el programa PYHIA. El estudio consiste en analizar la señal experimental que deja el decaimiento de un squark y un gluino vía neutralinos y bosones Z que decaen a un par de muones de signo opuesto. Con este trabajo se pretende estudiar las características cinemáticas de las señales detectables, dimuones que reconstruyen Z, jets y energía transversal faltante, con el fin de dar criterios para la búsqueda de este canal en el experimento CMS y determinar cortes cinemáticos que ayudarían a separar señales que no sean supersimétricas. Palabras Clave: S-quarks; Gluínos; CMS; LHC; Energía transversal faltante. Abstract A search of s-quarks and gluinos in proton-proton collisions at a center of mass of energy of 4 ev, similar to the ones that the LHC will perform, is simulated using the software PYHIA. he study is about analizing the experimental signal resulting of the s-quark and gluino decay via neutralinos and Z bosons, reconstructed from two different sign muons. With this work we want to study the kinematic features of the detectable signals in the final state, dimuons coming from a boson Z, jets and missing transverse energy, in order to give conclusions which will help in the search of this channel in the CMS experiment and set kinematic cuts which allow a separation between supersymmetric signals and not supersymmetric signals. Keywords: S-quarks; Gluinos; CMS; LHC; Missing transverse energy. PACS:..Pb; 4.8.Ly. c. Revista Colombiana de Física. odos los derechos reservados.. Introducción La teoría supersimetrica (SUSY), en particular el Modelo Mínimo Supersimetrico (MSSM) predi-ce la existencia de otras partículas además de las pertenecientes al Modelo Estándar (ME); por ejem-plo, para cada boson debe existir un compañero super-simetrico fermionico y de igual manera para cada fermion un compañero supersimetrico bosonico. Estas nuevas partículas tienen los mismos números cuánticos de sus compañeros del ME, excepto por el spin el cual difiere por /. Además las partículas llevan un nuevo numero cuántico R-parity, el cual es para partículas del ME y - para las partículas supersimetricas o s-partículas. [] En el modelo MSSM en el cual la R-parity es conservada, las partículas son producidas en pares y los estados finales de sus cadenas de decaimiento contienen partículas supersimetricas mas livianas (LSP), las cuales son estables e interactúan débilmente.[] En una teoría supersimetrica sin romper, los compañeros * linahuertas 5@hotmail.com

2 Rev.Col.Fís., Vol. 4, No. de. (a) (b) Fig. : Principales diagramas de (a) producción y (b) decaimiento de s-quarks y gluinos. supersimetricos tendrán masas degeneradas con sus compañeros del ME. Este obviamente no es el caso, de otra manera estas partículas se habrían observado. Por lo tanto algún mecanismo debe romper SUSY, existen alternativas de rompimiento de la supersimetria entre las que se encuentran los modelos de mínima supergravedad (msugra). Este modelo introduce un campo, cuya función sera la de romper la supersimetria. Fundamentalmente, con msugra y utilizando otras suposiciones basadas en teorías de gran unificación (GU), permiten reducir el numero de parámetros necesarios para poder caracterizar la supersimetria de aproximadamente 5 a 5. Estos 5 son: m (masa común para todos los escalares en la teoría), m / (masa común para todos los fermiones en la teoría), A (acoplamiento trilineal, refiriéndose a que el acoplamiento se hace entre campos), tan β (razón entre los valores de expectación en el vacio de los dobletes de Higgs), µ (es el parámetro de masa para los higgsinos). Si los compañeros supersimetricos existen deberían tener masas en el rango de ev. El experimento CMS del acelerador LHC en el laboratorio CERN, busca estas partículas en colisiones proton-proton a energías de centro de masa de 4 ev. Si en este rango de ener-gía son producidas las partículas SUSY, habrá mayor producción de s-quarks ( q) y gluinos ( g) (Figura.a.), además decaen en diferentes tipos de cadenas dentro de las cuales dos de las posibles se muestran en la Figura.b., con la particularidad de incluir la producción de bosones Zs, jets y neutralinos ( χ k ) los cuales no podrían ser detectados y dejarían un faltante de energía[]. En este estudio se analizara la búsqueda de señales de producción de s-quarks y gluinos, en colisiones protonproton a energía centro de masa de 4 ev, a través de un canal en particular (Figura ). La búsqueda es realizada mediante simulaciones computacionales, usando el programa PYHIA 6.4[4], donde se incluirá las carac-terísticas de detección del experimento CMS. La señal experimental utilizada para esta búsqueda esta compuesta por eventos con muones, jets y energía transversal faltante; en especial, el objetivo de este estudio es analizar las características cinemáticas de estas señales detectables en el estado final.. Señal para la Búsqueda de S-quarks y Gluinos Debido a la conservación de la R-parity, las s-partículas deben ser producidas en pares. Cada s-partícula debe decaer en otra s-partícula, hasta que finalmente se llegue a la LSP, la cual debe ser estable dado que no hay s-partículas mas livianas. En el estado final de todo evento en el cual se produjo materia supersimetrica deben haber dos LSPs. Las LSPs son masivas, neutras y solo interactúan débilmente, es decir, se comportan como neutrinos muy masivos. En la gran mayoría de los modelos SUSY, las LSPs son neutralinos χ, que no dejaran huella en los detectores, pero si un gran faltante de energía transversal, E miss. Esta es la principal señal experimental de partículas supersimetricas. S-quarks decaerán dependiendo de su masa produciendo charginos y neutralinos, si un chargino es producido en un decaimiento SUSY, debido a su carga natu-ral, una partícula tal como un lepton cargado debe estar presente en el estado final del decaimiento. Son considerados buenos canales experimentales para ver la producción de s-quarks y gluinos aquellos en los cua- 9

3 L. Huertas, J. Betancourth, J. C. Sanabria, C. Ávila, B. Gómez : Producción De S-Quarks Y Gluínos En El Experimento CMS Fig. : Canal de decaimiento escogido en la producción de S-quarks y Gluinos les estas partículas decaen en cadena produciendo neutralinos y Zs. Esta clase de decaimientos resultara en señales con jets, E miss y muones. Uno de los canales que presenta estas características se muestra en la Figura y es el canal que usaremos en este estudio. abla. Valores de los parámetros msugra escogidos para este estudio. m m / A tan(β) signo(µ) Simulación Para realizar la simulación se utiliza el software PY- HIA. Este simulador es un generador de eventos basado en el método de Monte Carlo. Dadas las partículas iniciales y la energía con la que se quiere colisio-nar, este programa esta en capacidad de generar eventos completos, como los observados experimentalmente. Además de PYHIA, se hace uso del software ROO[5] el cual es un analizador de datos desarrollado en el CERN. Dado que ROO tiene una interfaz en PYHIA, es posible reproducir los histogramas mediante ROO con los eventos generados por PYHIA. En la simulación se especifica las partículas que van a colisionar y la energía de la colisión, en este caso protones a 4 ev. Dado que este tipo de colisiones genera miles de decaimientos y partículas, y se quiere simular un canal en particular (Figura ), se debe activar canales de decaimientos específicos. Por ultimo en la producción de partículas supersimetricas hay que especificar en PYHIA los paráme-tros SUSY, que se mencionaron anteriormente, los va-lores de estos 5 parámetros fueron tomados de estudios en artículos consultados[6], en estos estudios se rea-lizan análisis para sectores de masas bajas y altas de s-fermiones y gauginos, para este trabajo se utilizan los valores para LM (Low Mass), estos son mostrados en la siguiente tabla. Con el fin de obtener mejores distribuciones en los histogramas se generan sucesos. 4. Análisis y Resultados Energia CM partonico histe Entries Mean.99 RMS E(eV) Fig. : E CM marco de referencia centro de masa parton-parton Cuando dos haces de protones se hacen colisionar a energías del LHC, es desconocido cual de sus constituyentes en realidad colisionan y cuales fueron simplemente espectadores del evento. Los constituyentes individuales llevan solamente una fracción de la energía del proton. Esto significa que la 9

4 Rev.Col.Fís., Vol. 4, No. de. energía disponible en una colisión parton-parton (hadrones como quarks o gluones son llamados partones), es mucho menor que la energía centro de masa total del proton. El resto de la energía queda en los remanentes de la colisión, esto es lo que se conoce como el evento subyacente, estas partículas se fragmentaran y producirán piones y gamas; algunas veces formando jets, pero de muy bajo momentum transverso, p. Al simular el canal descrito previamente (Figura ) se encuentra que al colisionar un par de protones a E CM = 4 ev, la colisión parton-parton se hace a E CM ev (Figura ), ciertamente este valor es mucho menor de los 4 ev de la colisión inicial, así que ev es la energía con la que se producirán nuevas partículas, es decir, al aniquilarse un par de partones esta energía se convertirá en nuevas partículas masivas. Para el análisis de este canal se lo dividirá en dos grupos, con el fin de estudiar las partículas finales por separado, con lo cual las partículas producidas por el decaimiento en cadena de un s-quark pertenecen al grupo y las partículas producidas por el decaimiento de un gluino pertenecen al grupo. Además, debido que en el grupo se obtienen jets en el estado final, llamaremos jet y jet a los jets provenientes del decaimiento del gluino y del s-quark respectivamente. 4.. Señal del Bosón Z La detección de procesos SUSY con bosones Z, se puede realizar en el CMS usando los decaimientos del Z en un par de leptones de signo opuesto. Los principales backgrounds (señal no deseada que podría simular la señal supersimetrica) del ME vienen de la producción de uno o mas bosones Z, por esto la importancia de estudiar este tipo de señales. Para determinar si los muones se produjeron a partir del boson Z, se reconstruye la masa invariante del par de muones como se muestra en (). M µµ = (E µ + + E µ ) (p µ + + p µ ), () Dado que todos los muones en este caso decayeron de un Z, el valor calculado a partir de los datos experimentales para M µµ debe estar alrededor de 9,8 GeV, ya que este es el valor de la masa del Z. En la Figura 4 se muestra la masa invariante obtenida a partir del par de muones en estado final, calculada para los dos grupos. Como se dijo anteriormente se puede observar una representación alrededor de un pico, cuyo valor pertenece a la masa del boson Z, la linea vertical representa este valor experimental. Estos histogramas presentan el mismo comportamiento con los que se muestran en el análisis hecho en CMS Physics echnichal Design Report en el cual se requiere que 8GeV < M µµ < 96,5GeV [7]. 4.. Señal del Neutralino Una de las señales experimentales mas importantes que revelaran la existencia de materia supersimetrica es la energía transversal faltante, E miss, que dejarían los neutralinos mas livianos a su paso por el detector. Esta medida de la energía transversal faltante, es una poderosa herramienta para ayudar en la detección de señales de física envueltas en una o mas partículas que interactúen débilmente con la materia. Como se pudo observar anteriormente la colisión actual envuelve colisión entre partones, la componente longitudinal o z del momentum de las partículas que colisionan no es conocido y por lo tanto no se puede usar conservación del momentum p z. Sin embargo, las componentes p x y p y de los partones iniciales son insignificantes, por lo que la conservación del momentum y de la energía transversa, E, puede ser usada para calcular el imbalance en E. Este imbalance es la E miss. El calorimetro electromagnético y hadrónico tienen una estructura pixelar angular. Cada píxel tiene un valor dado del angulo azimutal y de pseudo-rapidez (φ n, η n ), donde, η n = ln(tan(θ n /)) () y θ n es el angulo polar del pixel n. Si E n es la energía depositada en el pixel n en un evento, se puede definir la energía transversal faltante como se muestra en la ecuación (). La E miss para este canal es mostrado en la Figura 5. El valor promedio de la energía transversal faltante para este estudio es aproximadamente E miss 4GeV. E miss 4.. Jets = n {E n sin θ n cos φ n î + E n sin θ n sin φ n ĵ}, Una estrategia general para la búsqueda de señales SUSY seria la selección de eventos con gran E miss y partículas reconstruidas con gran momentum transverso. En el LHC estos objetos son predominantemente jets. Los jets son la señal experimental de los quarks y gluones, observados como grandes chorros colimados de partículas. () 9

5 L. Huertas, J. Betancourth, J. C. Sanabria, C. Ávila, B. Gómez : Producción De S-Quarks Y Gluínos En El Experimento CMS Masa Invariante Dimuones 4 histmass Entries Mean 7. RMS 68.8 Masa Invariante Dimuones 4 histmass Entries Mean.5 RMS M µµ (GeV) (a) M µµ grupo M µµ (GeV) (b) M µµ grupo Fig. 4: Masa invariante de los dos pares de muones, la linea vertical representa el valor de la masa del Z. Energia ransversal Faltante histetmiss Entries Mean 4.9 RMS miss E_ (GeV) Fig. 5: Energía ransversal Faltante En la Figura 6, se muestra la distribución para el momentum transverso de los jets, de estas graficas se puede observar que los jets con mayor momentum pertenecen a aquellos que vienen del decaimiento de un s-quark, q q χ, esto para los dos grupos. Para el grupo el jet tiene un momentum p 6GeV, mientras tanto para el grupo como se dijo anteriormente el jet con mayor momentum es el jet, que proviene del decaimiento de un s-quark y tiene un momentum de p 7GeV. Además, en la Figura 6.a, se observa un pico aparentemente en cero, que en realidad indica jets con bajo p (entre y 6 GeV aproximadamente). En la Figura 7, se muestra la distribución para la pseudorapidez de los jets, se observa que se distribuyen normalmente con un valor medio aproximadamente de, para los jets de mayor momentum del canal y de,9 para el jet del grupo y que el 99 % de los jets esta dentro de un intervalo de σ, que corresponde aproximadamente a η <. 5. Conclusiones Se logro simular satisfactoriamente en PYHIA un colisionador pp con características de detección similares a las del experimento CMS, y se restringió los decaimientos de tal manera que se obtuvo el canal de la Figura. Entre los cortes que servirán como filtro en señales que sean contaminadas con eventos de background sin interés, se debe escoger un intervalo de valores acep-table para la masa invariante del par de muones provenientes del Z, este rango de valores estará alrededor de la masa del boson Z como se muestra en la Figura 4. De igual manera la energía transversal faltante estará en el rango de aproximadamente los 4 GeV. Se demostró que los objetos con mayor momentum producidos en este canal de estudio son los jets, específicamente aquellos que provienen del decaimiento de un s-quark q q χ, sin importar si pertenecen al grupo o. Y que 9

6 Rev.Col.Fís., Vol. 4, No. de. Momento ransversal jet histpt Entries 96 Mean 5.9 RMS p (GeV) (a) Jet del grupo Momento ransversal jet histpt Entries 66 Mean 9.8 RMS Momento ransversal jet histpt Entries 46 Mean 7.4 RMS p (GeV) (b) Jet grupo p (GeV) (c) Jet grupo Fig. 6: Momentum transverso para los jets del canal. a) jet proveniente del decaimiento del q, b) jet proveniente del decaimiento del g, c) jet proveniente del decaimiento de un q y este a su vez producto del decamiento del g. además la aceptancia de los jets esta alrededor de η <, la cual podría ayudar a discriminar señales de background. 6. Agradecimientos Agradecemos la financiación de COLCIENCIAS, a la facultad de ciencias de la Universidad de los Andes y al departamento de Física de la Universidad de Nariño, Pasto. Referencias [] Stephen P., Martin. A Supersymmetry Primer. En: arxiv.org [en linea]. hep-ph/97956 (6). Disponible en: < http : //arxiv.org/pdf/hep ph/97956v5 > [citado en 5 de enero de 9] [] Calvet, S. Search for Squarks and Gluinos at D. En: arxiv.org [en linea]. hep-ph/75.46 (7). Disponible en: < http : //arxiv.org/pdf/75,46v > [citado en 5 de enero de 9] [] Shamim, M. Search for Squarks and Gluinos with D Detector. En: arxiv.org [en linea]. hep-ph/7.897 (7). Disponible en: < http : //arxiv.org/pdf/hep ph/7,897v > [citado en 5 de enero de 9] [4] Sjostrand, orbjorn; Lonnbladm, Leif; Mrenna, Stephen; Skands, Peter. Pythia 6.4 Physics and Manual. En: arxiv.org [en linea]. hepph/675 (6). Disponible en: < http : //arxiv.org/pdf/hep ph/675 > [citado en de septiembre de 8] [5] ROO. An Object Oriented Data Analysis Framework, Users Guide 5. [en linea]. < http : //root.cern.ch/drupal/content/users guide > [citado en junio de 8] 94

7 L. Huertas, J. Betancourth, J. C. Sanabria, C. Ávila, B. Gómez : Producción De S-Quarks Y Gluínos En El Experimento CMS η jet 4 5 histeta χ / ndf 77. / 9 Constant 49. ± 4. Mean.9 ±.94 Sigma.8 ± η (a) Jet del grupo η jet histeta χ / ndf / 84 Constant 4. ± 4.9 Mean.967 ±.4 Sigma.5 ±. η jet histeta χ / ndf 86.9 / 8 Constant 7.4 ± 4.7 Mean -.46 ±.75 Sigma.7 ± η (b) Jet grupo η (c) Jet grupo Fig. 7: Distribuciones de η para los jets del canal. [6] Brandt, O. Supersymmetry Searches at the LHC. En: arxiv.org [en linea]. hep-ex/88.94v (8). Disponible en: < http : //arxiv.org/pdf/88,94 > [citado en de enero de 9] [7] Kyriazopoulou, S. Search for SUSY in final states with Z bosons. En: CMS Note. CMS Physics echnical Design Report Volume II: Physics Performance. Ginebra, Suiza: A. De Roeck, 6. p