Long­lived Particle Searches at Colliders

  Philippe Mermod (Oxford University)

Seminar DPNCGeneva, 14 October 2009 

• Fundamental physics puzzles• Split­SUSY and long­lived gluinos• Magnetic Monopoles• Past searches – LEP, Tevatron• ATLAS search plans

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History of new particles• 1950­1974 : 

➢  hadron jungle, neutrino➢  quark model confirmed

• 1974­1994 :  ➢ heavy quarks, tau, W and Z... ➢ 3 generations, EW unification confirmed

• 2010 and onward :  ➢ We generally expect new particles to be 

heavy and short­lived (e.g., Higgs boson)➢  Long­lived ? (e.g., WIMP)

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Today's particle physics puzzles• Origin of mass, mass hierarchy• Unification of forces• Matter­antimatter asymmetry• Dark matter

Proposed searches• Higgs boson• Precision measurements• Exotic phenomena, e.g., 

Supersymmetry

New data  needed !

Chemistry

Nuclear force

Energy frontier

QCD

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Split­SUSYarXiv:hep­th/0405159

• Accept the unnaturalness of the Higgs mass

• Supersymmetry breaking occurs at Ms >> 1 TeV

• Scalars have mass at this scale

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Nice features of split­SUSY • Unification of couplings• Long proton lifetime• Long­lived gluino 

 → R­Hadrons ! 

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Examples of well­motivated exotic long­lived particles

• Neutral LSP dark matter (R­parity cons.)• Metastable squark or gluino (kinematics)• Metastable stau NLSP (LSP gravitino)• Magnetic Monopole (charge conservation)• Leptoquark (weak coupling)

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Magnetic Monopoles• Dirac's argument (1931)

– Angular momentum of field of electron­monopole system : 

• “explain” charge quantization• Symmetrize Maxwell Equations• Ingredient in Grand Unification Theories

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Monopoles – kinematics• Direct pair production processes at colliders : 

• Higher­order corrections ? – Strong g coupling   → non­perturbative dynamics !!! – Must rely on models for the cross section and kinematics 

calculations !

photon fusion Drell­YanM

M

M

M_

_

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Monopoles ­ ionization

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Monopole bending in a magnetic field

• Acceleration along beam axis

• Parabolic trajectory in rz plane

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SQUID technique• At HERA and the Tevatron• Search for trapped Monopoles• Old beam pipe and detector material in a 

superconducting coil to sense flux jump

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Plastic track­etch detectors• Pits due to highly­

ionizing particles• Tevatron• LEP

Phys. Rev. D 46, R881 (1992)

• MoEDAL (LHC)●  At Point 8●  Run in 2010

LHCb

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Current cross section limits for Dirac Monopoles

• Limits only valid for given mass ranges

• Unwise to quote mass limits (must assume  production model)

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Long­lived particles carrying colour charge

• Colour­triplets : – Spin­0 : leptoquark, squark– Spin­1/2 : KK­quark, 4th gen quark

• Colour­octets : – Spin­1/2 : gluino– Spin­1: KK­gluon

• Large production cross sections• R­Hadrons with integer charges

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Heavy Coloured objects at the LHC• Strong process, e.g. gluino pair production

– mass 300 GeV   more than → 100000/fb­1                                         

(14 TeV pp collisions)

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R­Hadrons

• Long­lived > 50 ns   (size of ATLAS)

• Heavy > 250 GeV (current limit)

• Coloured                    

Generic signature : slow and high momentum

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R­Hadrons : mass spectra• Quark­like : similar to charmed and bottomed 

hadrons (e.g. Λc+ )

• Gluon­like : assume a model– Lightest state   neutral or charged ?→

– Gluino balls ? 

arXiv:0908.1868

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 CDF  search using dE/dx in inner detector

Phys. Rev. Lett. 90, 131801 (2003)

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CDF search using TOF in muon detector

• 250 GeV mass limit for a long­lived scalar top quark

Phys. Rev. Lett. 103, 021802 (2009)

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Published mass limits

● Assume standard couplings

• What are the limits for a color­octet ?

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Generic signature­based long­lived particle searches in ATLAS

• Displaced vertices / kinks• Non­pointing photons• Low EM calorimeter fraction• Out­of­bunch­crossing• Slow tracks• High invariant mass dimuons• Highly ionizing tracks

decaying

non­decaying

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Early data : Generic & Simple

• Systematics– Efficiency– Robustness– Backgrounds

• Non­optimum conditions• Look for extreme signatures• Use several independent 

variables

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Expected signature : low speed

• Measure time­of­flight of high­momentum objects–  Calorimeter –  muon RPC

• If correlation–  Slow massive                                                        

particle !

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Expected signature :reconstructed mass

R­Hadrons

muons

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Expected signature : invariant mass of two muons

Z resonance

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R­Hadrons : possible selection criteria

1. Low β in muon system and/or calorimeter● Fakes : muon β distributions obtained from Z→μμ

2. High­pT muon track without associated ID track

● Fakes : ID efficiency vs. pT obtained from Z→μμ

3. Additional muon and high invariant mass  ● Fakes : high­p

T tails obtained from Z→μμ

4. A combination of the above

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What could happen• Look for anomalies in spectra of muon objects

– All variables behave as expected for ordinary muons   → cross section and mass limits 

– Excess   Detector effect ? Unexpected backgrounds ? →New physics ?

• Combine all variables : unmistakable events ?

high pT

delayed

anomalous ionization

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High­Q/Monopoles in ATLAS

100% TRT HT hits

E/p >> 1E/p ~ 1 E/p   → 0

high E in small area

XXXX

X

XX

XX

X β < 1β ~ 1 β < 1

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Summary• Fundamental physics puzzles 

– We expect new physics at the TeV scale– LHC will probe these regions– Signatures : electrons, jets, missing energy,      

long­lived particles !

• Search techniques with general­purpose experiments (experience from LEP and Tevatron)

– Late arrival / late decays– Energy loss– Special event topologies

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Outlook• As soon as the LHC machine runs at high 

energies– Look at all possible signatures– Can we do something even with non­

optimized data ? – e.g. R­Hadrons, Monopoles in ATLAS           

 striking events→

– Possibly large cross sections                        high masses accessible early→

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Extra slides

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Free quarks / low­charge objectsPhys. Lett. B303, 198 (1993) / Phys. Lett. B572, 8 (2003) 

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SUSY models giving rise to SMPs

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Gluino lifetime sin split­SUSY

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Interactions of R­Hadrons with detector material

• Heavy parton unlikely to interact (cross section suppressed by 1/m2)

• Effectively low­energy (~GeV)  interactions involving light quarks

–  Regge Theory

• Light quark flavor can change several times during the passage through the detector

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Non­pointing photons

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Displaced vertices

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+

­

­

Event selection(SUSY chapter in CERN­OPEN­2008­020, arXiv:0901.0512)

Search for stop and gluino R­Hadrons, optimized for 1 fb­1 of integrated luminosity for pp collisions at 14 TeV• Trigger : muon trigger• Selection : jet veto + one of the following 

criteria–  Hard (pT>250 GeV) muon track lacking inner track

–  Two hard back­to­back inner tracks with few high­threshold (HT) hits

–  Two hard back­to­back like­sign muon tracks–  One hard muon track with inner track of opposite 

charge

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Simulated data• Signal samples

–  Gluinos 300, 600, 1000, 1300, 1600, 2000 GeV–  Stops 300, 600, 1000 GeV

• Background samples–  QCD dijets (PYTHIA) with pT > 140 GeV  

–  Top pairs (semi­leptonic)–  W and Z with muons in final state

• Full ATLAS simulation• Standard ATLAS reconstruction

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Final state observables• pT of muon tracks 

(normalized to 1 fb­1) • High­threshold (HT) hits in inner tracker

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Charge­flipping signatureqIDpT,ID/qμpT,μ

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Results

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Mu20 trigger 

Use for Z mass tagging

Is the muon track consistent ?

Require another muon track with pT > 20 GeV

• Use Z μμ → tag­and­probe –  High­pT tail fractions

–  Charge misidentification probability–  Standalone track reconstruction efficiency

• In situ determination of both ID and muon system performances at high pT

Instrumental backgrounds+

­

­