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AG Prof. Dr. Karl Jakobs
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Stand der Forschung

 

In der einfachsten Realisierung von SUSY unterscheiden sich die Partnerteilchen der SM-Freiheitsgrade von diesen nur durch den Spin, d.h. insbesondere die Masse der Partnerteilchen ist unverändert. Nachdem keine solchen Partner bei den Massen der SM-Teilchen beobachtet werden (beispielsweise ein Spin-0 Partner zum Elektron mit einer Masse von 511 keV/c2), muss es sich bei SUSY ähnlich zur elektroschwachen Theorie um eine gebrochene Symmetrie handeln. Dies erlaubt für die Massen der SUSY-Teilchen große Freiheiten, abhängig von zusätzlichen Parametern, wobei zur Lösung des Hierarchie-Problems Massen im Bereich weniger Hundert GeV bevorzugt sind. Die Grenzen, die durch bisherige experimentelle Daten auf die SUSY-Massen gesetzt werden können, hängen von der exakten Implementierung von SUSY ab, liegen in vielen Modellen für die SUSY-Partner von Quarks der ersten zwei Generationen und Gluonen aber deutlich oberhalb von 1 TeV.

 

Aufgrund eines niedrigeren Wirkungsquerschnitts für die Produktion und den komplexen Endzuständen

sind Squarks der dritten Generation (Stop und Sbottom) mit Massen nahe der Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung mit experimentellen Ergebnissen deutlich leichter vereinbar. Die strengsten Ausschlussgrenzen für spezifische Modelle liegen bei 600-700 GeV. Zusätzlich gibt es im Stop-Fall mehrere “Korridore”, in denen die Summe der Masse der Stop-Zerfallsprodukte (z.B. Top-Quark und Neutralino) nahe an der Stop-Masse liegt, und die Paarproduktion von Stops und deren anschließender Zerfall kaum von SM Topquark-Ereignissen zu unterscheiden ist. Dies erlaubt kleine Stop-Massen, sogar unterhalb der Top-Masse, in Einklang mit experimentellen Ergebnissen zu realisieren.

Unsere Arbeitsgruppe ist federführend beteiligt an der Suche nach SUSY in Endzuständen mit mehreren Teilchenjets, von denen typischerweise einige als aus B-Mesonen resultierend markiert wurden, und fehlender transversaler Energie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Suche nach Stop Squarks, bei verschiedenen Massenannahmen, Verzweigungsverhältnissen und Endzuständen.

 

Die Auswertung der ATLAS-Daten aus Run 1 (2010-2012) hat keinen Nachweis für die Existenz von Stops oder anderen supersymmetrischen Teilchen erbringen können, obwohl das Experiment über einen großen Bereich von denkbaren Stop- und Neutralinomassen sensitiv war. Dies wird quantitativ dargestellt in sogenannten Ausschluss-Plots.

 

supersymmetrie 2

 

Die gefüllten Flächen im Ausschluss-Plot stellen den Parameterbereich dar, in dem SUSY Modelle ausgeschlossen werden können. Die hierbei verwendeten Modelle sind stark vereinfacht: Nur das Stop (Masse auf der horizontalen Achse) und das Neutralino (auf der vertikalen Achse) sind enthalten, alle anderen supersymmetrischen Teilchen werden vernachlässigt. Das Stop zerfällt daher immer in ein Neutralino sowie mindestens ein Standardmodell-Teilchen. Verschiedene Farben entsprechen verschiedenen Zerfallsszenarien und Endzuständen. Wenn die Massendifferenz zwischen Stop und Neutralino größer ist als die Top-Quark-Masse, ist ein Top-Quark und ein Neutralino der dominante Zerfallskanal. Ist die Massendifferenz zu gering, kann kein Top-Quark (~172,5 GeV/c^2) mehr erzeugt werden kann, stattdessen entstehen direkt die Top-Quark-Zerfallsprodukte und ein Neutralino. Für noch geringere Massendifferenzen ist auch die Erzeugung eines W Bosons nicht möglich, und stattdessen entsteht ein Fermionenpaar. In diesem Massenbereich ist außerdem der Zerfall von Stop in ein Charm-Quark und ein Neutralino denkbar.

 

Die Analysen, deren Ergebnisse in der gelben und violetten Fläche zusammengefasst sind, wurden in unserer Arbeitsgruppe mitgestaltet. Dieser und weitere ATLAS-Plots können auf https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SupersymmetryPublicResults abgerufen werden.


Trotz der Vielzahl möglicher Zerfälle handelt es sich stets um vereinfachte SUSY-Modelle. Ein vollständiges SUSY-Modell enthält viele weitere Teilchen, deren Massen und Kopplungen durch eine große Anzahl an zunächst freien Parametern festgelegt werden.  Für den einfachsten Fall des MSSM kommen bereits 105 Parameter zum Standardmodell hinzu. Diese Zahl lässt sich reduzieren durch zusätzliche Annahmen, wie beispielsweise jeweils einheitliche Massen für alle Spin-0 und Spin-½ Teilchen bei einer hohen Energie (typischerweise 1016 GeV/c2, da dort die Vereinheitlichung von elektroschwacher und starker Kraft erwartet wird). Dies geschieht zum Beispiel in der minimalen Supergravitation (mSUGRA) mit 5 freien Parametern. Weniger modellabhängige Einschränkungen der SUSY-Parameter sind möglich durch die Verwendung experimenteller Ergebnisse, wie der gemessenen Masse des Higgs-Bosons oder der Dichte von dunkler Materie im Universum. Dies geschieht beispielsweise im phänomenologischen MSSM (pMSSM), welches mit rund 20 freien Parametern auskommt. Da ein solch hochdimensionaler Parameterraum nicht vollständig experimentell untersucht werden kann, wählt man repräsentative Punkte aus, und verwendet diese, um mögliche Lücken in den Suchen mit vereinfachten Modellen aufzufinden. SUSY-Theoretiker können dann Ausschlussgrenzen auf z.B. verschiedene vereinfachte Modelle kombinieren um Rückschlüsse auf die Implementierung komplexer Modelle in der Natur zu ziehen.


Mögliche Referenzen:

 

  • mSUGRA:

    • A. H. Chamseddine, R. Arnowitt, and P. Nath. Locally Supersymmetric Grand Unification, Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 970.

  • pMSSM:

    • A. Djouadi, J.-L. Kneur, and G. Moultaka. SuSpect: A Fortran code for the supersymmetric and Higgs particle spectrum in the MSSM Comput. Phys. Commun. 176 (2007) 426. doi: 10.1016/j.cpc.2006.11.009.

    • C. F. Berger et al. Supersymmetry Without Prejudice J. High Energy Phys. 0902 (2009) 023. doi: 10.1088/1126-6708/2009/02/023.

 

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