High Luminosity Upgrade - ATLAS Výzkumná infrastruktura CERN-CZ

High Luminosity Upgrade - ATLAS
Výzkumná infrastruktura CERN-CZ
Alexander Kupčo
Fyzikální ústav AV ČR
Vila Lanna
17. prosince 2014
fyzikální motivace pro HL upgrade ATLAS
HL-LHC plány LHC a ATLAS
naše plány (finanční + náš příspěvek k upgrade ATLAS)
Fyzikální motivace (experiment ATLAS)
ECFA HL-LHC workshhop, Aix-les-Bains 2014
ATLAS white paper ATL-PHYS-PUB-2013-007 (Snowmass 2013)
klíčové cíle HL-LHC (B. di Girolamo, ATLAS LHC RRB, 4/2014)
- detailní proměřeních produkčních a rozpadových kanálů H(125)
- měření párové produkce HH
- rozšíření oblasti hledání nové fyziky až o ∆m 1 TeV
- detailnější studium nových objevů v Run-2 a Run-3
Produkce H a vazbové parametry
ATLAS Simulation Preliminary
s = 14 TeV: ∫Ldt=300 fb ; ∫Ldt=3000 fb
-1
H→γ γ
(comb.)
H→ ZZ
(comb.)
-1
ATL-PHYS-PUB-2014-016
vazba mezi H a ostatními částicemi
- v SM je úměrná hmotnosti částice
z četnosti rozpadových a produkčních kanálů
- u statisticky limitovaných kanálů (H ! µµ) lze
p
očekávat zlepšení až faktorem 3 ( 10)
H→ WW (comb.)
1
(incl.)
yi
H→ Zγ
10-1
t
ATLAS Simulation Preliminary
Z
h→γ γ , h→ZZ*→4l, h→WW*→lν lν
h→ττ, h→bb, h→µ µ , h→Zγ
[κZ, κW , κt, κb, κτ, κµ ]
W
BRi,u=0
H→ bb
b
(comb.)
-2
10
τ
H→µµ
Ratio to SM
H→ττ
10-3
(VBF-like)
(comb.)
0
0.2
0.4
∆µ/ µ
µ
s = 14 TeV
∫ Ldt = 300 fb
-1
∫ Ldt = 3000 fb
-1
1.2
1.1
1
0.9
0.8
10-1
1
10
102
mi [GeV]
Produkce H a vazbové parametry
κF
ATL-PHYS-PUB-2014-016
1.25
1.2
300 fb-1, w/ theory
3000 fb-1, w/ theory
300 fb-1, w/o theory
3000 fb-1, w/o theory
Standard Model
1.15
1.1
1.05
1
při simultánním pokroku teorie
lze očekávat proměření vazeb s
přeností
3%
κF 5%
κV
0.95
0.9
ATLAS Simulation Preliminary
0.85
s = 14 TeV
0.9
0.95
1
1.05
1.1
implikace pro modely za SM
κV
VBF kanál H ! τhadτlept: citelné vylepšení přesnosti při rozšíření dráhového detektoru do dopředné oblasti ATL-PHYS-PUB-2014-018
∆µ/µ 24% (Run I rozsah)
! 8% pro jηj < 4
dle mého názoru tohle jsou “legacy measurements” HL-LHC
Vazbové parametry H a nová fyzika
σχ-N [cm2]
tan β
ATL-PHYS-PUB-2014-017
10
ATLAS Simulation Preliminary
9
Combined h → γ γ , ZZ*, WW*
8
7
Combined h → Zγ , µµ, ττ, bb
Exp. 95% CL at s= 14 TeV
6
Simplified MSSM [κ V, κ u, κ d]
∫ Ldt = 300 fb : all unc.
∫ Ldt = 300 fb : No theo.
∫ Ldt = 3000 fb : all unc.
∫ Ldt = 3000 fb : No theo.
5
4
3
1
0
200
10-43
10-45
10-47
s = 14 TeV, ∫Ldt = 3000 fb
-49
10
-1
10-51
-1
ATLAS Simulation
Preliminary
10-41
-1
-1
2
10-39
h→γ γ , h→ZZ*→4l, h→WW*→lν lν ,
h→Zγ , h→ττ, h→bb, h→µ µ
DAMA/LIBRA (99.7% CL)
CRESST (95% CL)
CDMS (95% CL)
CoGeNT (90% CL)
XENON10 (90% CL)
XENON100 (90% CL)
SuperCDMS (90% CL)
LUX (95% CL)
10-53
-55
10
-57
10
400
600
800
1000
1200
mA [GeV]
implikace pro modely za SM
SUSY, hledání temné hmoty, apod.
-1
1
10
ATLAS (95% CL) in
Higgs portal model:
Scalar WIMP
Majorana WIMP
Vector WIMP
102
3
10
mχ [GeV]
HH produkce (trilineární vazbová konstanta HHH )
ATL-PHYS-PUB-2014-019
Projected limit on the total HH yield (events)
- destruktivní interference
40
35
30
25
20
15
ATLAS Simulation Preliminary
-1
s = 14 TeV: 3000 fb
10
Exp. 95% CLs
±1σ
±2σ
5
0
λHHH měřitelná skrze efekt
na četnost produkce HH
-2
0
2
4
6
8
10
λ/λ
SM
H(! γγ) + H(! bb̄)
očekává se 8,4 případů na pozadí 47 (1,3σ signifikance)
půjde s 95% CL vyloučit
λ/λSM <
1,3 a λ/λSM > 8,7
konzervativní odhad
- b-tagging a pozadí
další kanály (HH
! bb̄bb̄)?
W=Z= anomální vazby
detailní proměření chování di-bosonové
produkce při velkých energiích
ATL-PHYS-PUB-2013-007
Significance [σ]
10
ATLAS
9 Simulation
8 Preliminary
7
6
3000 fb-1
300 fb-1
5
- bez Higgsova mechanismu (nebo jiné náhrady) by
došlo k narušení unitarity na EW škále
4
3
2
experimentální přístup
1
- identifikovat VBS (posílit signál)
- typicky dva dopředné jety oddělené
prázdnou centrální oblastí v jη j
- velký benefit, pokud se rozšíří rozsah
dráhového detektoru pro velká jη j
0
0
10
20
30
40
50
+-+-
CφW/Λ2 (VBS ZZ→l l l l ) [TeV-2]
obecná analýza
cφW
LφW = Λ2 Tr(W µν Wµν )φ†φ
600
500
ATL-PHYS-PUB-2013-007
ATLAS Simulation
s=14 TeV
3000 fb-1, 95% exclusion limit
3000 fb-1, 5σ discovery reach
300 fb-1, 95% exclusion limit
300 fb-1, 5σ discovery reach
1000
900
800
χ
1
1
1
1
600
500
400
200
∼±
<
m~t 1
+m χ 1
mb
<
m~t 1
m ∼χ0 1
m t+
300
200
100
100
200
300
400
500 600 700 800
0
±
∼
χ and ∼
χ Mass (GeV)
1
~
0
t1 → t+∼
χ1 (m∼± >> m~t1): 1-lepton (e,µ) + jets
χ
1
~
±
t1 → b+∼
χ1 ( m~t - mχ∼± = 20 GeV): 2-lepton (eµ)
0
~
t1 → t+∼
χ (m∼± >> m~t ): s=7 TeV, 4.7 fb -1
1
300
s=14 TeV
3000 fb-1 discovery reach
3000 fb-1 exclusion 95% C.L.
300 fb-1 discovery reach
700
400
100
ATLAS Simulation
1
700
mχ∼0 [GeV]
∼0 Mass (GeV)
χ
1
SUSY a fyzika za SM
0
400
500
600
700
800
900
2
1000
1100 1200
m~t1 [GeV]
zajímavá oblast, pokrytí prakticky celé oblasti parametrů, které vedou
k přirozené EW škále (mt˜1 < 1 TeV)
hledání téžkých resonancí v mtt̄, FCNC v ropadech t kvarku
statistika pro 95% CL vyloučení při 300 fb−1 podobná 5σ objevu při 3 ab−1
objev v HL-LHC nepravděpodobný, pokud nebudou náznaky při 300 fb−1
- díky počtu SUSY analýz (> 20) tam určitě takové náznaky budou
LHC schedule beyond LS1
Only EYETS (19 weeks) (no Linac4 connection during Run2)
LS2
starting in 2018 (July)
18 months + 3months BC (Beam Commissioning)
LS3
LHC: starting in 2023 => 30 months + 3 BC
injectors: in 2024
=> 13 months + 3 BC
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
LHC
Injectors
bbbbbbbbbbbbb
ooooooooooo
oooooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooooooo
ooooooooooo
oooooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
Run 2
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooo
ooooooooo
ooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooo
oooooooooo
ooooooo
LS 2
bbbbbbbbbbbboooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
bbbbbbbbbbbboooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
Run 3
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
t
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
LHC
Injectors
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
LS 3
oooooooooo
2029
ooooooooo
ooooooooo
bbbbbbbbbbbb
ooooooooo
2030
bbbbbbbbbbbbooooo
2031
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
2032
2033
Run 4
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
2034
2035
Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
LHC
Injectors
LS 4
Run 5
bbbbbbbbbbbboooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
bbbbbbbbbbbboooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
LS 5
bbbbbbbbbbbboooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
bbbbbbbbbbbboooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
ooooooooo
LHC schedule approved by CERN management and LHC experiments spokespersons
technical
coordinators
B. Di Girolamoand
- RRB
Meeting
nd
27
Monday 2 December 2013
29 April 2014
Phase 2 – up to LS3
B. Di Girolamo - RRB Meeting
29 April 2014
42
Finance a časový plán
detektor má mít podobný výkon jako současný, ovšem při µ 140
LHC RRB April/2014
zvažuje se rozšíření dráhového detektoru (VBF)
S. Bertolucci: říjen 2015
- předběžný plán “Scoping document” spolu s náklady a různými variantami (6/2015)
- 9/2015 by oba experimenty měly od LHCC dostat zelenou pro vypracování TDR
- financování má nabíhat od roku 2017
odhad finančních dopadů pro ČR (2.2% dle platících autorů)
6 MCHF ( 20 MCZK/rok po dobu 7 let)
Výzkumné infrastruktury
projekt CERN-CZ (2016-2022)
rozsah obdobný jako v současných INGO projektech CERN+ATLAS
+ prostředky na HL upgrade: 25 mil. Kč / rok
- prostředky na “vědu” (užití infrastruktury) - prostor pro další projekt
soutěž má několik kol
- v září jsme prošli prvním, s těmi nejlepšími hodnoceními
- druhé kolo bylo uzavřeno 12. 12., výsledky ještě neoznámeny
- výsledkem by mělo být roztřídění projektů do kategorií dle kvality
- začátkem příštího roku nás čeká jednání s MŠMT o rozpočtu
Backup
Další témata
σ B [pb]
ATL-PHYS-PUB-2013-007
105
104
∫
103
ATLAS Preliminary
(Simulation)
102
gqqg /gs = -0.20
-1
L dt = 3000fb
KK
Expected limit
Expected ± 1σ
Expected ± 2σ
g →tt
KK
s = 14 TeV
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
mg [GeV]
KK
hledání téžkých resonancí v mtt̄
- gKK , Z 0, . . .
- dosah kolem 7
8 TeV
FCNC v rozpadech top kvarku
citlivost je v řádu očekávání některých beyond SM modelů