Recherche et étude de la supersymétrie dans le canal des taus au LHC Séminaire LAL Orsay 2 Avril 2007 Dominique J. Mangeol IPHC, Strasbourg.

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1 Recherche et étude de la supersymétrie dans le canal des taus au LHC Séminaire LAL Orsay 2 Avril 2007 Dominique J. Mangeol IPHC, Strasbourg

2 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 2Introduction MotivationsMotivations Les outils de la découverte: Le LHCLes outils de la découverte: Le LHC L'expérience CMSL'expérience CMS Problématique de la reconstruction des observablesProblématique de la reconstruction des observables Recherche inclusive de SUSY dans le canal des tausRecherche inclusive de SUSY dans le canal des taus Reconstruction de la masse des SparticulesReconstruction de la masse des Sparticules PerspectivesPerspectives

3 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 3 Le Modèle Standard: Gloires et Limitations Prédictions du Modèle Standard vérifiées avec grandes précisions au LEP Néanmoins ne permet pas de répondre à toutes les questions fondamentales  Modèle "jugé" Incomplet

4 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 4 Le Modèle Standard: …Limitations Pourquoi 3 familles de quarks et leptonsPourquoi 3 familles de quarks et leptons La grande hiérarchie de masse existant entre les différentes particulesLa grande hiérarchie de masse existant entre les différentes particules Corrections radiatives à la masse du Higgs trop grandeCorrections radiatives à la masse du Higgs trop grande Origine de la violation CPOrigine de la violation CP Asymétrie matière-antimatiere existant dans l'universAsymétrie matière-antimatiere existant dans l'univers Présence de Matière Sombre dans l'universPrésence de Matière Sombre dans l'univers Unification constante de couplage électromagnétique et faible mais pas forte ?Unification constante de couplage électromagnétique et faible mais pas forte ? N'offre pas d'explication à (entre autres): 19 + 9 (neutrinos massifs) paramètres ajustables et beaucoup (trop ?) de questions laissées sans réponse…

5 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 5 La Supersymetrie (SUSY) en réponse aux questions ouvertes du MS Ajoute une nouvelle symétrie au Modèle Standard Associe un nouveau fermion à chaque boson et vice-versa Associe un nouveau fermion à chaque boson et vice-versa Constitue une extension des symétries Espace-temps Constitue une extension des symétries Espace-temps Il s'agit d'une symétrie brisée dont la viabilité repose sur l'existence Il s'agit d'une symétrie brisée dont la viabilité repose sur l'existence d'une physique nouvelle à l'énergie du TeV d'une physique nouvelle à l'énergie du TeV

6 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 6 MSSM (Minimal SuperSymmetric Model)  Rend compte des propriétés du Modèle Standard  Corrige problème de divergence de la masse du Higgs aux hautes énergies  Masse du Higgs le plus léger < 135GeV  Influe sur l'évolution des constantes de couplage de sorte que l'unification des constantes de couplage se produit à l'échelle de Planck (10 19 GeV) des constantes de couplage se produit à l'échelle de Planck (10 19 GeV)  Si la parité R=(-1) 3(B-L)+2S est conservé  Particules supersymétriques sont produite en paire  La particule supersymétrique la plus légère (LSP) est stable  Offre un candidat susceptible d'expliquer la matière sombre  Offre un candidat susceptible d'expliquer la matière sombre

7 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 7 Brisure de la SuperSymétrie La brisure spontanée de la supersymétrie ne se produit pas à basse énergie (EW) à basse énergie (EW)  Suppose l'existence d'un "secteur caché" ou la brisure de symétrie se produit  Suppose l'existence d'un "secteur caché" ou la brisure de symétrie se produit  Transmise au "secteur visible" du MSSM aux énergie de l'interaction EW  Transmise au "secteur visible" du MSSM aux énergie de l'interaction EW Plusieurs mécanismes de transmissions ont été étudié: Plusieurs mécanismes de transmissions ont été étudié: o Transmission assuré par la gravité à l'échelle la Grande Unification (10 16 GeV)  SuperGravité o Transmission par interaction de jauge

8 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 8 MSSM et cMSSM scenarii MSSM et cMSSM scenarii Problème: MSSM introduit 105 nouveaux paramètres Ce nombre de paramètres est significativement réduit en introduisant un certain nombre de contraintes (cMSSM) mSUGRA (brisure de symétrie transmise pas la gravité) 5 paramètres 5 paramètres GMSB (brisure de symétrie transmise par interaction de jauge) GMSB (brisure de symétrie transmise par interaction de jauge) 6 paramètres 6 paramètres AMSB (brisure de symétrie transmise par super-Weyl anomalie, AMSB (brisure de symétrie transmise par super-Weyl anomalie, "secteur caché" sur un brane different) "secteur caché" sur un brane different) 4 paramètres 4 paramètres

9 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 9mSUGRA Contraint le MSSM en imposant l'unification de la masse des jauginos et des scalaires à l'échelle de GUT SuperSymétrie locale basé sur la SuperGravité Brisure de la supersymétrie transmise par la gravité Parité R conservé LSP  Le neutralino1 Spectre de masse des sparticules calculé à partir des Equation du Groupe de Renormalisation (RGE)  Seulement 5 paramètres: –m 0 : masse universelle des scalaires –m 1/2 : masse universelle des jauginos –A 0 : constante de couplage tri linéaire –tan  : rapport de la valeurs moyenne dans le vide des deux doublets de Higgs –sign(  ) : signe du couplage des deux doublets de Higgs

10 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 10 mSUGRA et Matière Sombre Impose des contraintes strictes sur l'espace des paramètres de mSUGRA 0.094 <  m h 2 = n LSP  m LSP < 0.129 Observations du satellite WMAP a permis d'estimer la densité résiduelle de la matière sombre  Peut être traduit en terme de densité en LSP

11 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 11 Désintégration en cascade vers des taus au point LM2 ___ tan  =10 ___ tan  =35 hep-ph/0306219 LM2 compatible avec WMAP Domaine de validité A grand tan  minoritaire RB :96% Seulement… Etude de ce secteur essentielle Point LM2 m 0 = 185 GeV m 1/2 = 350 GeV tan β = 35 A 0 = 0; μ > 0

12 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 12 La reconstruction d'une telle cascade nécessitera l'identification des 2 taus Compliqué d'un point de vue expérimentale

13 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 13 De la prédiction à la découverte: Le Collisionneur LHC au CERN

14 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 14 L'expérience C ompact M uon S olenoid

15 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 15 Détection des particules dans CMS

16 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 16 DAQ et Trigger dans CMS Event rate “Discovery” rate Level 1 Trigger Rate to tape

17 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 17 Triggers L1 L1 triggers utilisés dans l'analyse

18 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 18 Triggers HLT HLT triggers utilisés dans l'analyse

19 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 19 Problématique de la reconstruction des principaux observables Jets et CalibrationsJets et Calibrations Base de la reconstruction Base de la reconstruction Calibration au démarrage et plus tard… Calibration au démarrage et plus tard… Méthodes alternatives… Méthodes alternatives… Énergie ManquanteÉnergie Manquante Problèmes à surmonter Problèmes à surmonter Solutions possibles mais partielles Solutions possibles mais partielles Reconstruction des tausReconstruction des taus Propriétés des taus (hautes et basses énergies) Propriétés des taus (hautes et basses énergies) Problématique de la reconstruction à basse énergie Problématique de la reconstruction à basse énergie Méthode alternative (energy flows) Méthode alternative (energy flows)

20 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 20 Reconstruction des Jets Jets initialement reconstruits avec l'algorithme "iterative cone": "Additionne" (Et schème) les contributions des Tours calorimétriques "Additionne" (Et schème) les contributions des Tours calorimétriques situé à l'intérieur de cônes centrés autour des Tours les plus énergétiques situé à l'intérieur de cônes centrés autour des Tours les plus énergétiques (ici  R=0.5) (ici  R=0.5) Variante: "Midpoint Cone" prend en compte Jet splitting et merging k t (Durham/Cambridge) essaient de prendre en compte l'évolution de la gerbe partonique (plus correcte d'un point de vue QCD) Calibration au démarrage:  difficile et limitée Point de départ: Basés sur le Monte CarloBasés sur le Monte Carlo  Contrôle avec QCD di-jet balancing (1 er jour) Sources RA des calorimètresSources RA des calorimètres pour la calibration des Tours pour la calibration des Tours Faisceau de test/ W  Faisceau de test/ W   Avec contrôles: bruit dans les calorimètresbruit dans les calorimètres bruit électroniquebruit électronique

21 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 21 Calibrations et corrections des jets systématiques varient suivant la géométrie du détecteur Utilise les événements Jet produit dans le recul du Z/   prend en compte les radiations de gluon  particules situées en dehors du cône Jusqu'à 3% possible dans les basses énergies en adjoignant fit de la masse du W avec ttbar et QCD di-jet balancing

22 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 22 Autres corrections Corrections du bruit de fond dans les calorimètres Soustraction du Pile-up: Utilisation des traces (Eflow)  améliore résolution en énergie Traces dans cône Traces en dehors du cône Cône au niveau du calorimètre

23 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 23 énergie manquante MET Arme par excellence de la découverte de SUSY (Parité R) Utilise les lois de conservation de l'énergie pour prendre en compte les particules qui n'interagissent pas avec les détecteurs Grandes sensibilités problèmes expérimentaux: Résolution en énergie des calorimètres cracks dans les calorimètres canaux bruyants/morts Mis calibration de l'énergie des Jets ISR/FSR (événements multi-jets) Particules avec |  |>5 Underlying Events et Minimum Bias Pile Up Champs magnétique (loopers) MIPs, Muon beam-halo, beam gas cosmics …Mais à double tranchant… Non ce n'est pas SUSY !!! DØ Run II

24 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 24 Grandes sensibilités problèmes expérimentaux: Résolution en énergie des calorimètres cracks dans les calorimètres canaux bruyants/morts Mis calibration de l'énergie des Jets ISR/FSR (événements multi-jets) Particules avec |  |>5 Underlying events/Minimum Bias Pile Up Champs magnétique (loopers) MIPs, Muons Cosmiques Beam-halo, beam gas Problèmes… et Solutions (?)  contrôle et re-calibration des canaux défectueux  Peut être pris en compte dans MET  ne sont pas détectées  Peut être évaluer rapidement  soustraction Pile Up possible  Ajouter contribution des traces  Fraction électromagnétique ? (Tevatron) évaluer beam-halo avec un seul faisceau  filtre au niveau du trigger (?)  mis calibration indiscernable  contrôle/correction (di-jet balancing) Sans Pile up Avec Pile up hadrons muons (loopers) Mininum Bias QCD: 80<p t hat<120 Représente un important défis à surmonter.

25 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 25 Reconstruction des Taus Propriétés principales des Tau's: similaire à un jet avec – 1 or 3 particules chargées – toutes les particules dans un cône étroit – absence de particules autour du cône Problème avec taus de basse énergie Vrai tant que E  >>M 

26 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 26 Reconstruction des taus Utilise un cône large pour obtenir une grande fraction de l'énergie du tauUtilise un cône large pour obtenir une grande fraction de l'énergie du tau   R<0.6   R<0.6 L'analyse requiert des tau's aux énergies les plus bassesL'analyse requiert des tau's aux énergies les plus basses  E t Jet > 5 GeV  E t Jet > 5 GeV Paramètres choisis tel que N true tau /√(N fake tau ) soit le plus large possibleParamètres choisis tel que N true tau /√(N fake tau ) soit le plus large possible    P t-lead >5 GeV; P t-track >0.8 GeV;  R(lead-track,track) 5 GeV; P t-track >0.8 GeV;  R(lead-track,track)<0.1 et  R(lead-track,Jet)<0.17 Seulement 1 ou 3 trace dans cône  R(lead-track,track)<0.1Seulement 1 ou 3 trace dans cône  R(lead-track,track)<0.1 Pas de trace avec P t >0.1P t-lead dans la région définie par 0.1 0.1P t-lead dans la région définie par 0.1<  R(lead-track,track)<0.6  Pureté moyenne de 64% et efficacités de 17% (E t 60 GeV)

27 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 27 Résolution en énergie des tau's Amélioration possible: Identifier les clusters provenant des particules chargées et les remplacer par l'information provenant du tracker "relativement facile" pour les tau's (E  -jet -E  -jetrec )/E  jetrec 5GeV<E  jetrec <25GeV (E  -jet -E  -jetrec )/E  jetrec 125GeV<E  jetrec <150GeV Résolution en énergie des taus obtenue à partir des calorimétres Résolution très dégradées à basse énérgie Résolution acceptable à hautes energies

28 Dominique J. MangeolSéminaire 28 Selection des Taus hadroniques Possible de discriminer entre les différents canaux (1-prong) de désintégration des Taus en comparant les énergies déposées dans le Ecal et le Hcal à celle de la trace mesurée dans le tracker Permet d'éliminer les canaux de désintégrations leptoniques: Important bruit de fond Energie mal connue ( l )

29 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 29 Bruits de fonds Bruits de fonds Bruit de fond attendu: ttbar: topologie la plus proche de SUSY ttbar: topologie la plus proche de SUSY QCD: Peut produire une large MET et de faux candidat tau QCD: Peut produire une large MET et de faux candidat tau Z/W+jets: Contiennent des tau's et des jets Z/W+jets: Contiennent des tau's et des jets ZZ/WW+jets: même raison que précedemment ZZ/WW+jets: même raison que précedemment N.B: Les nouvelles simulation d' ALPGEN Z/W+Njets ne furent pas utilisé ces Monte Carlo étant absent à l'époque de l'analyse ces Monte Carlo étant absent à l'époque de l'analyse

30 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 30Sélection Cut E t miss >150GeV 2 jets avec E t >150GeV 2 ,  R(  )<2 Sélection: Sélection: Trigger L1+HLT Jet+MET Trigger L1+HLT Jet+MET Grande E t miss (due au 2 LSPs) Grande E t miss (due au 2 LSPs) au moins 2 jets énergétique (1 par cascade) au moins 2 jets énergétique (1 par cascade) au moins 2 taus (hadroniques) avec  R(  )<2 au moins 2 taus (hadroniques) avec  R(  )<2 Principaux bruit de fond: QCD (50%) QCD (50%) ttbar (39%) ttbar (39%) W+jets (11%) W+jets (11%)

31 Dominique J. MangeolSéminaire LAL Orsay 31 Selection table Candidats TauCandidats Tau hadronique Seulement 125pb -1 sont nécessaires pour découvrir LM2 (5  )

32 Dominique J. MangeolSéminaire 32 Discovery potential of SUSY in di-tau final states Généralisant les résultats obtenu à LM2 à l'espace des paramètres m 0,m 1/2 et pour tan  =10 and 35 5  discovery contours systematics on background accounted for SUSY avec états finaux à deux taus peut être découvertes dès le démarrage du LHC

33 Dominique J. MangeolSéminaire 33 Reconstruction de la masse des sparticules La méthode des "End-Point" Méthode des "End-Point": Le LSP n'interagissant pas avec le détecteur, une mesure directe de la masse des sparticules est impossible. Néanmoins on peut exploiter les contraintes cinématiques imposés par les sparticules pour accéder à leur masses. Néanmoins on peut exploiter les contraintes cinématiques imposés par les sparticules pour accéder à leur masses. Met à profit les désintégrations successives pour établir différentes relations entre les observables et la masses des sparticules. Met à profit les désintégrations successives pour établir différentes relations entre les observables et la masses des sparticules. Avec un nombre suffisant de désintégrations on peut obtenir un Avec un nombre suffisant de désintégrations on peut obtenir un système d'équation avec autant d'inconnu que de masses système d'équation avec autant d'inconnu que de masses  Système d'équations que l'on peut résoudre  Système d'équations que l'on peut résoudre

34 Dominique J. MangeolSéminaire 34 Méthode des End-Points Masse effective des deux leptons Dans le CM du : Masse effective dans CM du T. Lorentz vers CM

35 Dominique J. MangeolSéminaire 35 Méthode des End-Points: limite cinématique de la masse invariante limite cinématique obtenue pour cos    correspondant au deux leptons émis dans des directions opposées (CM Neutralino2) Soit: Ce qui correspond à la valeur limite atteinte par la distribution de la masse invariante

36 Dominique J. MangeolSéminaire 36 Méthode des End-Points: Combinaisons entre leptons et quark De manière similaire: Problème: Comment distinguer le 1 er du 2 eme lepton ??? 4 solutions existent suivant la hiérarchie des masses LM2

37 Dominique J. MangeolSéminaire 37 Ou sont mes leptons l 1 et l 2 ? Peut-on distinguer expérimentalement l 1 de l 2 ? Réponse: Non, pas vraiment… Quelques modifications sont nécessaires pour prendre en compte cet état de chose A LM2: Les deux leptons ont des spectres en énergie différents mais qui se chevauchent. Effet renforcé du fait que l'on ne mesure pas le  dans le cas des  De plus: varie en fonction des paramètres de mSUGRA

38 Dominique J. MangeolSéminaire 38 Méthode des End-Points en l'absence d'identification de l 1 et l 2 Il est cependant possible de réécrire les systèmes d'équations en fonction de M ql(low) et M ql(high) tel que M ql(low) <M ql(high) Augmente encore le nombre de solutions possibles LM2

39 Dominique J. MangeolSéminaire 39 Reconstruction de la masse des sparticules avec des taus La position des "End-Points" ne varient pas mais leur extraction est plus compliqué !!! Problème: l'absence de détection du neutrino produit dans la désintégration du tau produit dans la désintégration du tau Les équations décrites précédemment peuvent être appliquées aux taus Les distributions des masses invariantes sont affectées

40 Dominique J. MangeolSéminaire 40 Masse invariante bruit de fond combinatoire Masse invariante bruit de fond combinatoire Les pairs de tau's sélectionnés ont des origines multiples: Ce que l'on veut reconstruire }  +  + échantillon  +   combinatoire  +   échantillon Combinatoire: indépendant de la charge  distribution identique à tau provenant de différentes cascade

41 Dominique J. MangeolSéminaire 41 1.Fit distribution 2.Fit distribution avec 1. + log-normal fonction   équivalent à soustraire 1. de 2. 3. Extrait End-Point à partir de la Log-normal Extraction des End-Points (di-tau's) 95±5 GeV at 40fb -1

42 Dominique J. MangeolSéminaire 42 Masses invariantes avec tau's et jets Bruit de fond combinatoire Les échantillons "signal" sont construit en combinant les pairs au 2 jets les plus énergétiques. Produit un important bruit de fond combinatoire Estimé en combinant l'ensemble des pairs de taus à un des deux jets pris au hasard parmi les événements déjà utilisés.  Jet non corrélé aux taus combinatoire de l'échantillon signal échantillon combinatoire échantillon signal

43 Dominique J. MangeolSéminaire 43 Distributions des masses invariantes obtenues avec des tau's et des jets Procédure de fit et fonctions identiques à celle des di-taus  Possible car résolution en énergies des jets et des tau similaire

44 Dominique J. MangeolSéminaire 44 559±11 GeV 596±12 GeV 780±20 GeV 298±7 GeV Distributions des masses invariantes obtenues avec des tau's et des jets

45 Dominique J. MangeolSéminaire 45 Utilisés pour le calcul des masses  Sur l'ensemble des solutions mathématiquement possible seulement deux retournent une solution physique. Des End-Points à la masse des sparticules

46 Dominique J. MangeolSéminaire 46  En accord avec case 1 (LM2) Calcul E 5 avec la masse des sparticules obtenues pour chaque solution, et compare avec la valeur de E 5 obtenue à partir de la masse invariante Utilise E 5 pour distinguer entre les deux solutions restante Différenciation entre les deux solutions restantes

47 Dominique J. MangeolSéminaire 47 Conclusions et Perspectives

48 Dominique J. MangeolSéminaire 48Summary The use of tau constitutes a highly competitive way to probe SUSYThe use of tau constitutes a highly competitive way to probe SUSY Discovery potential possible with low luminosities Discovery potential possible with low luminosities Offer possibilities to extend SUSY reaches at large tan Offer possibilities to extend SUSY reaches at large tan  Mass reconstructions challenging but achievableMass reconstructions challenging but achievable SUSY mass spectrum are measured with tau's (for the first time) SUSY mass spectrum are measured with tau's (for the first time) Details in CMS Note 2006/096