Julien MOREL ATLAS Exotic group LPSC - Grenoble

Recherche de nouveaux bosons de jauge provenant de dimensions supplémentaires avec le détecteur ATLAS Julien MOREL ATLAS Exotic group LPSC - Grenoble Journées Jeunes Chercheurs – La Rochelle - 2006

Plan • Un peu de théorie … • Un peu d’expérience … • Un peu d’analyse … • Un peu de résultats … • Un peu de conclusion … et de perspectives !

Le modèle standard en théorie … Théorie de jauge : SU(3)C SU(2)L U(1)Y NOBEL en 79 Forte QCD 8g Faible et électromagnetique Théorie électrofaible W+,W-,Z,g Dans les années 1965 : La théorie électrofaible Glashow, Weinberg et Salam proposent une théorie de jauge SU(2)LU(1)Y pour décrire à la fois les forces faible et EM. Cette unification est réalisée grâce à 3 bosons : W±, Z,g Le mécanisme de Higgs Higgs explique la masse des particules en introduisant un nouveau champ dans la théorie. Il en résulte l’existence d’un boson de Higgs.

Le modèle standard en pratique… Evénement Ze+e- à UA2 sur le SPS au CERN à l’automne 1982 • Découverte des bosons W+,W- et Z • Ou? CERN (SPS) • Quand ? 1982 • Découverte du quark top • Ou ? TeVatron • Quand ? 1995 • Chainon manquant : le boson de Higgs • Ou ? CERN (LHC) ?? • Quand ? 2008 ?? NOBEL en 84 ?? NOBEL en 2010 ??  • Très bon accord théorie-expérience (masse des W/Z, masse du top, …) • Instabilité de la masse du higgs (problème de hiérarchie) • Hiérarchie de masse des fermions (Me±=511 keV vs Mtop=175 GeV) • Quantification de la charge électrique • N’inclut pas la gravitation … 

Le LHC devra découvrir la physique au delà du modèle standard Plusieurs extensions possibles … Parmi elles : • La Super Symétrie • Introduction d’une nouvelle symétrie Fermions-Bosons • Solution au problème de la hiérarchie (Annulation des divergences) • Les théories de grande unification • Description des forces fondamentales par la même théorie de jauge • Les théories à dimensions supplémentaires • Introduction de dimensions supplémentaires spatiales • Solution au problème de la hiérarchie (en abaissant l’échelle de Planck) • Principalement deux types de modèles (ADD, RS) • … Z’ Z’ Dans la suite de cet exposé nous nous intéresserons principalement à un Z’ provenant d’un modèle à dimensions supplémentaires de type RS

Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum • Modèle originalde RS [ L.Randall, R.Sundrum, Phys. Rev. Lett. 83 3370 (1999) ] • 1 dimension spatiale supplémentaire compacte (accessible au graviton) • Espace à 5D « bulk » avec une géométrie déformée, bordé par deux « branes » à 4D • Permet une réduction de l’échelle de Planck (cf facteur de déformation) Modèle de RS avec matière dans le bulk [ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, hep-ph/0602155 (2006)] Brane du TeV (notre espace 4D) H t Brane de Planck u fermions G W g Z γ • Il fournit • Une nouvelle interprétation de la hiérarchie de masse des fermions • Des candidats pour la matière noire (excitation de KK des particules) • Dans ce modèle • Les bosons de jauge et les fermions se propagent dans le bulk (en plus du graviton) • Les fermions possèdent une localisation particulière selon la 5ème D

Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum Métrique à 5D : t u Masse de Planck : fermions H Facteur de déformation G W g Z γ Les excitations de Kaluza-Klein Etat fondamental = particule MS Etats excités = excitations de KK Visibles comme des nouvelles particules dans notre espace 4D Dimension supplémentaire compacte (finie) Etats quantiques supplémentaires (discrets) Le Z’ se couple aux mêmes particules que le Z/g : les 3 processus g/Z/Z’ vont interférer On s’intérresse à la 1ère excitation KK du Z/g = Z’ RS

Signature expérimentale Dans un collisionneur hadronique Décroissance hadronique : rapport signal / bruit très faible Processus Drell-Yan Décroissance leptonique : Faible bruit physique (processus rares) Canal leptonique privilégié Expérimentalement, on s’intéresse au spectre de masse invariante des deux leptons Z’ hypothétique Z sur couche de masse Le Z est visible sous la forme d’une résonance à 91.2 GeV (masse du Z) de largeur 2.5 GeV (largeur du Z) Processus DY Un Z’ serait visible sous la forme d’une nouvelle résonance

Signature expérimentale Les expériences du TeVatron ont déjà contraint l’existence de Z’ Mesures Théorie Limites actuelles sur la masse des Z’ Z’ provenant de GUT MZ’  800 GeV Recherche direct au TeVatron Z’ provenant de Dim. Supp. MZ’  3 TeV Mesures de précision au LEP Le TeVatron pourra sonder un Z’ jusqu’à une masse de l’ordre de 1TeV en recherche directe

Et avec le détecteur ATLAS … ? Grenoble à participé à la construction du EM Cal. La calorimétrie Très bonne résolution sur l’énergie des électrons (1% à 500 GeV) Canal leptonique privilégié Bon calorimètre électromagnétique A Grenoble, on s’intéresse au processus pp  Z’e+e- + =

Comment identifier un candidat Z’ dans le détecteur ? Critères d’identification nécessaires • Au moins deux candidats électrons dans la partie centrale du calorimétre |h|< 2.5 • Ces deux candidats sont identifiés comme électrons • Ces deux électrons ont une charge opposée (électron + positron) • Cette paire électron/positron est dos à dos dans le plan transverse 100% On reconstruit un événement sur deux Bonne résolution sur la masse du Z’

Comment savoir s’il existe un Z’RS ? Simulation Pour calculer le potentiel de découverte d’un Z’RS avec ATLAS, on procède à un comptage d’évènements. Processus DY (Z/g du modèle standard sans Z’ RS) Processus avec Z’ (g/Z/Z’RS ) MZ’ = 3 TeV Si l’on considère un Z’RS, il apparait deux effets : Une nouvelle résonnance qui définie la masse et la largeur du Z’ (excès d’événements) Une interférence avec le processus DY du MS Dans le cas d’un Z’RS l’interférence est destructive. (défaut d’événements) Il faut veiller à ce que ces deux effets ne se compensent pas

Potentiel de découverte Section efficace intégrée au delà de Mll >500 GeV Effet du à la résonance Effet du à l’interférence destructive MZ’ en TeV Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours l’interférence destructive

Potentiel de découverte Pour calculer le potentiel de decouverte d’un tel Z’ à ATLAS, il nous faut : • L’efficacite du detecteur (e) • La section efficace (sZ’) • La section efficace du DY (sDY) • Une convention pour la signification statistique (S12) Nous utilisons la convention S12 de hep-ph/0204326 (réaliste): On demande |S12| > 5 pour unedécouverte

Potentiel de découverte Lors du comptaged’événement, il ne faut pas que “l’interférence masque la résonance”. On calcule S12dansdeuxrégions du spectre de masse : Processus DY Processus avec Z’ Z/g/Z’RS • Dans la région de la résonance • Au delà de M1 • Dans la région de l’interférence • Entre 500 Gev et M1 Excèsd’événements Défautd’événement M1 Le paramètre M1 représente les limites d’intégration M1 est choisi indépendament du modèle : M1 représente la “fin” du processus DY. On garde 15 événements au delà pour calculer S12 avec un nombre de bruit de fond différent de zéro

Potentiel de découverte d’un Z’ de RS avec matière dans le bulk Lumi = 100 fb-1 M1 = 1730 GeV Lumi = 10 fb-1 M1 = 1070 GeV Lumi = 300 fb-1 M1 = 2320 GeV ATLAS peut découvrir un tel Z’RS jusqu’à 4,5 TeV avec 100 fb-1

Conclusions et perspectives • On a étudié le potentiel de découverte d’ATLAS pour différents Z’ • Théories de dimensions supplémentaires (ADD, RS) • Théories de grande unification • Utilisation de différentes observables (Masse invariante, asymétrie avant-arrière) S’il existe un Z’ en deçà de 5 TeV, on devrait s’en rendre compte... • Il va falloir penser à étudier le détecteur … • résolution en énergie (en cours) • linéarité du calorimètre (en cours) • les triggers • …

Data set and Athena version • We use : • Athena version : 11.0.41 • Process : Z’e+e-at 1TeV (Mll > 500 GeV) • Data Set : csc11.005605.Zprime_ee_pythia_chi1000.recon.AOD.v11004205 • Number of events : 24000 Z’ • Cross section = 376.5 fb Signal visible with 1 fb-1

Et le Large Hadron Collider … The installation of the LHC's magnets is progressing rapidly The beam pipe closure date will be August 2007 LHC will start in 2007 with 450 GeV per beam • 7 TeV per beam • Instantaneous luminosity = 1033 cm-2 s-1 (low lumi) • = 1034 cm-2 s-1 (high lumi) 2008 :

Julien MOREL ATLAS Exotic group LPSC - Grenoble