Candidats de matière noire: état des lieux G. Bélanger LAPTH- Annecy.

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1 Candidats de matière noire: état des lieux G. Bélanger LAPTH- Annecy

2 Plan Matière noire: remarques générales Les candidats les plus populaires Neutralino en supersymétrie Boson vecteur (Xdim - Little Higgs) neutrino de Dirac (RH) Scalaires Conséquences pour LC

3 Matière noire: une nouvelle particule? Les courbes de rotation des galaxies et amas de galaxies, les supernovae et le fonds diffus cosmologique -> forte composante de MN dans l’univers (~23%) beaucoup plus important que matière visible Une nouvelle particule? Laquelle? Le MS est incomplet: paramètres arbitraires, problème de hiérarchie. Proposer une nouvelle particule qui pourrait expliquer les observations de matière noire  guide pour construction de nouveaux modèles Modèles apportant une solution au problème de hiérarchie peuvent aussi expliquer la matière noire Particule stable-> protégée par une symétrie Plusieurs solutions – plusieurs candidats possibles NP a l’échelle electrofaible pourrait aussi expliquer l’asymétrie baryonique dans l’univers

4 Quel candidat? Particule neutre et stable Scenario standard pour WIMPs Dans univers primordial, WIMPs en équilibre thermique Avec l’expansion de l’univers, leur densité diminue due aux annihilations. Densité devient eventuellement trop faible en comparaison avec le taux d’expansion “Freeze-out” WIMP découple des particules MS, densité dépend seulement du taux d’expansion de l’univers WIMPS: section efficace d’annihilation typique-> Ωh 2 ~0.1

5 …. Quel candidat? Particules tres légères fonctionnent aussi (gravitino, axion…) peu de signaux en détection directe/indirecte ou collisionneurs – souvent plus complexe; production non thermique,,, – lien avec nucléosynthèse primordiale Comment choisir? – motivation théorique + expérience: détection MN, mesures précision et recherche de nouvelles particules aux collisionneurs. Quelle est la masse de MN? MeV? 10GeV? 100GeV? 1TeV? Dépend du modèle Signaux de matière noire: complémentarité détection directe ou indirecte/collisionneurs ou plusieurs signaux- permet les “cross-checks”

6 Quelques WIMPs.. GUT-scale models include string inspired models (e.g.moduli-dominated), AMSB, Split SUSY, Compressed SUSY, NUHM, mirage mediation

7 Détection de matière noire Indirecte Annihilation de paires de particules de MN leurs produits de désintégration sont observés. Recherche de MN dans 3 canaux Positrons du halo galactique Photons du centre de la galaxie Neutrinos du soleil Comparaisons de différents signaux Compatibilité avec scenario de NP Dépend de la distribution de MN Directe Mesure énergie de recul des noyaux dans un grand détecteur Signal non ambigu : une nouvelle particule forme la MN Mesures de section efficace avec différents noyaus: compatibilité avec modèle théorique et possibilité de mesure de la masse. Caveats: Dépend de la densité locale et de la distribution de vitesse Incertitudes sur les éléments de matrice des nucleons

8 Détection indirecte Densité relique -> Pour détection indirecte, ou v->0, σ peut etre différent de σ au “freeze-out” Dans modeles UED ou ν R, σv(0)~ σv(FO) MSSM : σv=a+bv 2, σv(0) < σv(FO) Dans les modèles MN est boson vecteur (UED) ou neutrino de Dirac– annihilation en paires de fermions légers est importante (fortement supprimé dans MSSM) spectre de positron ou neutrino est plus dur Detection indirecte : PAMELA Exces de positrons Pas d’exces antiprotons Boezio et al, 0810.4995

9 LHC and DM How will LHC see dark matter? Missing energy Sample decay chain What can LHC measure? Mass differences (using endpoints) – percent level Masses (endpoints +cross-sections + theory) more difficult – Lester,Parker, White ’05 Some properties of particles: spin.. (Barr – hep-ph/0511115) Reconstruct underlying model parameters especially if theoretical assumption

10 Contraintes sur MN et/ou NP Recherches directes de nouvelles particules : LEP, Tevatron LEP: M susy >100GeV Tevatron: amélioration de certaines limites LEP Densité relique Observables de précision : M W, sin 2 θeff (g-2) du muon Résultat de Davier : 14+/-8.4 10 -10 Physique du B : b-sγ, B->τν, B s -μμ Détection directe – CDMS/Xenon donnent les meilleures limites sur SI (σ ~4. 10 -8 pb), plusieurs autres experiences en cours ou futurs

11 Quelques exemples CMSSM MSSM MUED Neutrino (RH) Little Higgs Scalaire

12 SUSY – le neutralino Solution au problème de hiérarchie : annulation des divergences quadratiques pour la masse du Higgs Unification des constantes de couplages Symétrie Boson/fermion : associe une nouvelle particule supersymétrique à chaque particule du modèle standard + secteur de Higgs à 2 doublets MN: en general le neutralino mais le gravitino ou un sneutrinoR (modele avec neutrinoR) sont possibles Grand nombre de paramètres arbitraires dans le MSSM : incorpore dans un modèle à l’échelle GUT: relations entre les paramètres

13 Neutralino Neutral spin ½ SUSY partner of gauge bosons (Bino, Wino) and Higgs scalars (Higgsinos) Lightest neutralino is stable because of R-parity (also stabilizes the proton) Neutralino is Majorana particle Exact nature of neutralino (model dependent) will determine its annihilation properties – relevant for relic density, for indirect detection rate, for direct detection through interaction with nuclei in large detector

14 CMSSM m0,m1/2, A0,tanβ,sign(μ) χ 1 est le plus souvent bino (sauf région focus) Annihilation efficace si bino et sfermions sont légers LEP: recherche particule susy + mh>114GeV  fortement contraint Coannihilation avec le stau permet de satisfaire WMAP si ΔM ~10% Annihilation près résonance du Higgs lourd (surtout à grand tanβ) σ~ m χ 2 /m fR 4 Ellis, Olive 2004

15 Higgsino Un candidat plus naturel Annihilation plus efficace que bino Annihilation en paires de W Dans le CMSSM, ce scenario n’est possible que si les squarks sont lourds CMSSM défavorable au LHC: seul gluino et chargino/neutralino accessible ILC500 ou 1000: production de chargino et neutralino

16 SUSY au LHC Redémarrage 20XX Bon potentiel découverte de particules colorées: squarks, gluinos < 2- 2.5 TeV Autres particules SUSY produites dans les chaines de désintegration Recherche des Higgs Potentiel limité si squarks sont lourds et seuls gluinos, neutralinos, charginos sont légers MSSM : similaire pour particules colorées

17 Détection directe Meilleure sensibilite en SI (noyaux lourds) Couplage au Higgs nécessite une composante Higgsino – dans ce cas echange de Higgs domine Contribution des squarks importantes seulement s’ils sont legers Meilleur signal pour le Higgsino/bino LSP SD K. Olive 2008

18 CMSSM Pour le higgsino/bino LSP : signal attendu prochainement en detection directe (meme si pas de signal a LHC) Si le LHC a decouvert SUSY dans le CMSSM avec 10fb -1 -> signal en detection directe accessible au detecteur d’une tonne (10 -10 pb) ou meme avant Avec un signal SUSY au LHC- peit ameliorer la prediction pour detection directe tβ=50, A 0 =0

19 Quel modèle CMSSM? Analyse en χ 2 fit aux données Mw et (g-2) muon préfèrent les sparticules légères Analyse MCMC montre que m 0 petit ou grand Importance des “priors” Scan linéaire sur B (plutot que tanβ) montre préférence pour région a grand m0- Higgsino LSP Ellis et al. 0706.0652

20 Quel modèle CMSSM? Allanach, Hooper 0806.1923

21 CMSSM – complémentarité Le LHC testera hypothèse du bino LSP rapidement – sauf pour cas spéciaux ou s’annihile en Higgs lourd. Le Higgsino serait un candidat plus naturel à la matière noire meme dans le CMSSM Détection directe et indirecte favorable au Higgsino/bino LC1000 : meilleur potentiel de découverte que le LHC dans la région à grand m0 – attend un signal en DD Baer et al., hep-ph/0405210

22 Le neutralino dans le MSSM Dans le CMSSM relations entre μ, M 2, (M A ) ont une grande influence sur la nature du neutralino (annihilation) Non universalité scalaires (NUHM) ou jauginos (compressed SUSY) LSP: Bino/Higgsino/Wino annihilation du wino encore plus efficace que higgsino – en general TeV MSSM général Analyse des contraintes sur MSSM avec sparticules < 1TeV C. Berger et al, 0812.0980 Impose seulement limite supérieure sur Ωh 2 beaucoup modèles satisfont les contraintes – Higgsino et wino permis Beaucoup de particules SUSY <TeV Analyse MCMC sur MSSM7 (M 2,μ,M A,m q,M l,tanβ,A t ) GB, Boudjema, Pukhov,Singh Bino et bino/Higgsino permis Squarks et gluinos 0.1-4TeV

23 Dimensions supplémentaires Modèles dimensions supplémentaires : solution au problème de hiérarchie compactification des dimensions sur un cercle de rayon R- ramène l’echelle de Planck pres de l’échelle electrofaible Introduction d’une courbure (warped) MUED: flat Xdim, tous les champs se propagent dans le “bulk” Etats de Kaluza-Klein associes a chaque particule standard: m n ~n/R Explication : 3 familles (anomalies) Brisure dynamique de symétrie electrofaible Désintégration du proton pas trop rapide

24 MUED - boson vecteur MN UED : tous les champs MS se propagent dans le “bulk” R~TeV -1 Stabilité du proton : parite KK – LKP est stable MUED: LKP est B (1), etat KK du vecteur boson hypercharge (spin 1) Annihilation de LKP (vecteur) en voie s : plus efficace que le bino WMAP implique LKP plutot lourd Tait, Servant ( 2002 ) Annihilation importante en e+e- Possibilité d’expliquer le signal de PAMELA Kong, Matchev, hep-ph/0509119

25 Neutrino de Dirac (RH) Typiquement : neutrino de Dirac stérile (MS) mais chargé sous SU(2) R par exemple Modèles avec dimensions supplementaires de type “warped” possédant un neutrinoR (GeV-TeV) comme matière noire ont été proposés (LZP) Agashe, Servant, PRL93, 231805 (2004) Stabilité MN demande symétrie exacte – elle est introduite pour stabilité du proton ou pour garder accord avec mesures de précision Soit seulement SM+ ν R ou symétrie de jauge élargie Couplage du ν R au Z provient mélange Z-Z’ –naturellement faible Annihilation via échange de Z/Z’

26 DD : neutrino de Dirac Neutrino de Dirac: spin independent interaction dominated by Z exchange (vector-like coupling)  very large cross-section for direct detection coupling Zν R ν R cannot be too large Current DM experiments already restricts ν R to be ~M Z /2, ~M H /2 or M( ν R ) > 700GeV Z exchange: also main mechanism for annihilation of ν R Vectorial coupling : elastic scattering on proton << neutron Direct detection is best way to probe this type of model At LHC: if new particles (KK) at TeV scale, need high luminosity Z

27 Little Higgs Le Higgs est un pseudo boson de Goldstone d’une symétrie globale à une échelle plus élevée Brisure de symétrie globale permet d’annuler les corrections divergentes à mh (à une boucle) L’échelle de NP peut etre 10TeV sans réglage fin On doit imposer T-parité pour respecter les mesures de précision EW Nouvelles particules : A H, W H, Z H +partenaires fermions +T (top lourd T-parite=+) MN: A H (vecteur) annihilation A H A H ->h ->WW or ZZ (couplage de jauge au h)

28 LHM Masses des bosons vecteurs: quelques centaines de GeV Masse des partenaires du top -1TeV -> parfait pour LHC Detection directe: suppression en m h Couplage A H Q H q Y=1/10

29 MN scalaire Extension du secteur de Higgs Pas vraiment de motivation théorique Le plus simple : ajouter un singlet scalaire au MS+symetrie discrète- scalaire stable Singlet couple au Higgs –responsable de l’annihilation et détection directe SI LHC : le singlet modifie propriétés du Higgs - désintegration invisible Possible au LHC- haute luminosité Meme si pas signal au LHC – signal possible en détection directe

30 Détection directe Comparaison MSSM, RHN,LHM,MUED,Scalaire RHN: signal garanti Autres modèles : exploration d’une grande partie de l’espace des paramètres SuperCDMS Xenon 1T GB; Nezri; Pukhov 0810.1362

31 Conséquences au ILC Plusieurs candidats de MN, certains seront testés prochainement en détection directe ou indirecte d’autres au LHC Signal de NP au LHC (SUSY, MUED, LHM) possibilité de déterminer les paramètres fondamentaux du modèle de NP “Prédiction” de Ωh 2 Tirer profit de précision au ILC: détermination des paramètres et prédiction de Ωh 2 Dans quelques scenarios étudiés peut atteindre une precision comparable à celle de PLANCK. Confronter le modèle cosmologique

32 Scenario 1: MSSM LCC1 Dans le cadre du CMSSM, calcule le spectre dérive incertitudes au LHC, ILC et varie tous les paramètres du MSSM dans les barres d’erreur LCC1 : annihilation en fermions + coannihilation avec stau Paramètres importants : masse LSP, couplages, masses sleptons LHC: précision sur Ωh 2 ~15% (comparable à WMAP) ILC: nette amélioration Prédiction pour SI > 10 -9 pb Baltz, Battaglia, Peskin..

33 Scenario 2 : LHM LHC: production de nouveaux quarks-T ILC500 e + e - ->A H Z H ILC1000: e + e - ->W H W H Mesure de précision de M(A H, Z H, W H )+m h  détermination des paramètres du modèle et prédiction de Ωh 2 Matsumoto, ILC2008

34 Conclusions Plusieurs candidats de matière noire (WIMPs) les plus intéressants peuvent résoudre le problème de hiérarchie Modèles sont contraints mais beaucoup de possibilités meme dans le cadre de la supersymétrie – on attend avec impatience plus de signaux en astroparticules ou aux collisinneurs Signaux sont attendus soit en detection indirecte (Pamela) et/ou en detection directe et/ou au LHC (complementarité) Aux collisionneurs: dans les cas favorables, mesures précises des propriétes des nouvelles particules permettent de réduire les incertitudes sur les prédictions pour la densité relique et/ou détection directe/indirecte