Analysen zum supersymmetrischen, leichten, skalaren Top-Quark

Das Standard Modell der Elementarteilchenphysik (SM) wird seit 30 Jahren gründlichen experimentellen Überprüfungen auf innere Konsistenz ausgesetzt und mit großer Präzision bestätigt. Es beschreibt die 'Welt' mit nur 25 freien Parametern:

• 12 Fermionen (Quarks & Leptonen ⇒ Materie)
• 12 Spin-1-Eichbosonen (γ, W^±, Z und 8 Gluonen g ⇒ elm., schwache & starke Wechselwirkungen)
• 1 Spin-0-Skalar (Higgsboson H ⇒ Masse)

Es gibt jedoch diverse (teilchen-)physikalische Phänomene, die im Rahmen des SM bisher nicht erklärt werden können:

Im Allgemeinen ordnet SUSY jedem SM Teilchen ein SUSY Teilchen zu, das seinem Partner in allen Quantenzahlen gleicht, abgesehen vom Spin, welcher um ½ verringert ist. Aus Leptonen werden Sleptonen, aus Quarks Squarks. Die Gauge Bosonen werden zu Gauginos (Wino, Bino, Zino, Gluino, Higgsino, …).

Es muß also eine Operator Transformation geben, die aus einem fermionischen einen bosonischen Zustand erzeugt und umgekehrt:





Weiterhin existieren zwei Higgs Dubletts. Durch die Mischung der neutralen Gauginos und Higgsinos entstehen die vier verschiedenen Neutralinos und analog aus der Mischung der geladenen Gauginos und Higgsinos die zwei Charginos

Diese "Schattenteilchen leben in einer für uns unsichtbaren Welt". Sie können also mit unseren Teilchendetektoren nicht direkt nachgewiesen werden. Wäre SUSY nun eine exakte Symmetrie besäßen die SUSY Teilchen die gleichen Massen wie ihre SM Partner und man hätte keinen "Gewinn" durch eine solche Erweiterung des SM. Ihre, im Vergleich zu ihren SM Partnern, deutlich schwereren Massen erhalten die SUSY Teilchen also auf Grund einer Symmetriebrechung. Hierfür existieren verschiedene Modelle, welche unterschiedliche Ursachen für die Supersymmetriebrechung annehmen: mSUGRA, GMSB, … SUSY Teilchen sind also nicht stabil, sondern zerfallen in leichtere SM und SUSY Teilchen über Kaskadenzerfälle. Führt man nun die so genannte R-Parität ein (SM: R = +1, SUSY: R = -1), und fordert R-Paritäts Erhaltung, folgt daraus die paarweise Produktion und Vernichtung von SUSY Teilchen, sowie die Stabilität des leichtesten supersymmetrischen Teilchens (LSP), welches am Ende einer SUSY Zerfallskaskade ähnlich den SM-Neutrino ungesehen den Detektor verlässt und mittels Rekonstruktion von großen Mengen fehlender Energie identifiziert werden kann. Das LSP ist somit auch ein Kandidat für die viel zitierte Dunkle Materie im Universum. Aus verschiedenen kosmologischen Erkenntnissen kann man für das LSP Neutralität und Farblosigkeit folgern. Somit ist das leichteste Neutralino das LSP.

Es existieren zwei supersymmetrische Masseneigenzustände des Stop-Quarks, und , welche durch Mischung der supersymmetrischen links- und rechtshändigen Flavoreigenzustände des Stop-Quarks, und , entstehen. ist dabei der leichtere Zustand. Ihre Massen sind freie Parameter und modellabhängig bzw. meßtechnische Observablen. Es gibt jedoch einige theoretisch Argumente, welche ein leichtes favorisieren:

• Beim Herunterrechnen der Stop Masse von der Grand Unification Scale auf die elektroschwache Skala unter Anwendung der Renormalisierungsgruppen Gleichungen trägt die Große Top-Yukavakopplung negativ bei.
• Die Nebendiagonalelemente der quadratischen Stop-Massenmatrix sind klein auf der starken Mischung der links- und rechtshändigen Flavoreigenzustände des Stop-Quarks, wodurch eines der beiden Stops das leichteste Squark wird.
• Im Falle starker Kopplung an das Higgs-Feld resultiert eine ausreichende CP-verletzende Phase, wodurch ein Mechanismus zur elektroschwachen Baryogenese ermöglicht wird.

Außerdem haben bisherige Experimente z.B. bei LEB untere Massengrenzen für leichte SUSY Teilchen und damit auch die Masse eines möglichen leichten Stop-Quarks definiert. Wenn also ein leichtes Stop existiert sollte seine Masse bei rund 100GeV liegen.

Ähnlich wie das Top Quarks wird auch das Stop haupsächlich durch starke Paar- Produktion via Gluon-Fusion und Quark-Antiquark-Annihilation produziert. Seine möglichen Zerfallskanäle und deren Verzweigungsverhälnisse sind stark von seiner Masse Abhängig. Wenn kinematisch erlaubt wird sicher wie im linken Bild der Zerfall in SM Top- und Bottom-Quarks favorisiert:

Geht man jedoch wie durch obigen Annahmen motiviertvon sehr leichten Stop Quarks in der Größenordnung von ∼100GeV aus, zerfallen diese aufgrund folgender Masseneinschränkungen


fast ausschließlich in Charm-Quarks.

Dieser Zerfall ist wie in der rechten Abbildung dargestellt ein FCNC- (flavor changing neutral currant), wie ihn der Pinguin-Graph innerhalb der roten Blase andeutet. Die Signatur eines solchen Prozesses beinhaltet also in erster Linie zwei leicht Charm-Jets. Zusätzlich findet der Stop-Zerfall in einer Ebene statt welche nicht parallel zur Stop Produktionsebene liegt. Ein weiteres signifikantes Merkmal eines solchen Zerfall verglichen mit SM Untergrund (z.B. b → c + ν) ist der deutlich größere Anteil an fehlender Energie aufgrund des großen Massenunterschieds zwischen Neutralino und Neutrino. Man spricht daher von "pair production of light scalar top quarks in acoplanar charm jet + missing transverse energy final state".

Eine Studie des D0 Experimentes am Tevatron hat sich der Suche nach leichten Stop-Quarks, welche ausschließlich in Charm-Quarks zerfallen, auf der Basis rein kinematischer Schnitte an einen Datensatz von 995pb^-1 integrierter Luminosität gewidmet. Die Schnitte reduzieren in erster Linie Multijet-Untergrund sowie W + Jets Untergrund. Letzten Endes konnten im Rahmen der statistischen und systematischen Unsicherheiten keine Stop-Quarks identifiziert werden. Stattdessen wurden die in der Abbildung dargestellten Stop-Quark Massen in Abhängigkeit der Neutralinomasse mit 95% C.L. außgeschlossen. Die höchste ausgeschlossene Stop-Masse liegt bei
für eine Neutralino-Masse von

Unsere Gruppe beabsichtigt, dieses Studie unter ATLAS Bedingungen nachzuvollziehen und, basierend auf Monte Carlo Simulationen, im Rahmen statistischer und systematische Unsicherheiten das 'very light Stop-Quark'-Entdeckungspotential für ATLAS zu bestimmen. Das bedeutet, es ist eine Vorhersage zu machen wieviel integrierte Luminosität an Daten ATLAS 'wegschreiben' muß, um unter Berücksichtigung aller Untergründe und Systematiken die Entdeckung von leichten Stop-Quarks der Größenordnung ∼100GeV in dem von D0 noch nicht ausgeschlossenen Bereich der dargestellten Stop-Neutralino-Massenebene vorher zusagen.