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Prospectives de Découverte et de Mesure de la Supersymétrie Dirk Zerwas LAL-Orsay Pour le groupe de travail Origine de la Masse La Colle sur Loup 11 Octobre.

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1 Prospectives de Découverte et de Mesure de la Supersymétrie Dirk Zerwas LAL-Orsay Pour le groupe de travail Origine de la Masse La Colle sur Loup 11 Octobre 2004 Introduction Les bosons de Higgs Les particules supersymétriques Conclusions Scénario: Supersymétrie assez légère pour être détectée

2 Introduction 3 bosons de Higgs neutres: h, A, H 1 paire de boson de Higgs chargé: H ± et des particules supersymétriques: spin-0spin-1/2spin-1 Squarks: q R, q L q Gluino: gg Sleptons: R, L h,H,ANeutralino χ i=1-4 Z, γ H±H± Charginos: χ ± i=1-2 W±W± ~~ ~~ Les paramètres du secteur de Higgs: m A : masse du pseudoscalaire tanβ: rapport valeurs moyennes dans le vide masse du top secteur du stop (t R, t L ): masses et mélange ~ ~~ Limite théorique: m h 140GeV/c 2 Des modèles supersymétriques: MSSM (extension minimale du MS) mSUGRA (supergravité minimale) GMSB AMB NMSSM R-parité conservée production de particules SUSY en paires désintégration jusquà la sparticule la plus legère LSP stable et neutre: neutralino (χ 1 ) signature classique: E T manquante

3 Les bosons de Higgs Hypothèse: particules SUSY plus lourdes que bosons de Higgs mêmes modes de production et de désintégration que MS des Higgs neutres (Jean-Claude Brient) couplages modifiés tenir compte du rapport dembranchement modifié recherche dans le plan m A /tanß Recherche au Tevatron: Exclusion: couverture du plan avec 10fb -1 Découverte: il reste beaucoup à faire!

4 Les bosons de Higgs au LHC Les bosons de Higgs lourds ouvrent dautres canaux: Les couplages HWW, HZZ décroissent avec tanβ A/Hbb, A/Hττ, A/Hμμ augmentent avec tanβ Lhéritage de LEP: tanβ petit est exclu t b H, H τν h γγ (Jean-Claude) Recherche de A/H μμ, ττ tth, h bb (Jean-Claude) Identification des τ importante m(A) ~ m(H) ~ m(H ± ) à grand tanβ A, H, H ± section efficace: ~ tanβ Précision attendue: Canal μμ: 0.1-2% Canal ττ 1-12%

5 Lan 2015: plusieurs bosons de Higgs visibles, mais pas partout! Comment savoir si on a un boson de Higgs standard ou SUSY? SLHC: Permet de réduire la région avec un seul boson de Higgs avec sa grande luminosité integrée typiquement 50GeV/c 2 sur m A ILC: Le boson de Higgs le plus léger sera détecté et mesuré. jusquà m A =700GeV/c 2 la mesure de rapport dembranchements permet de distinguer le boson de Higgs (MS) du boson de Higgs (SUSY) 95% CL = gbgb g b SM mh=120GeV/c 2 ILC LHC

6 Les bosons de Higgs au ILC Production via Higgs Strahlung: σ(e + e - Z+ h/H ) = sin 2 /cos 2 (β-α) σ MS Production associée σ(e + e - A+ h/H ) = cos 2 /sin 2 (β-α) λσ MS Complementarité Higgs-Strahlung/prod ass. Bonne reconstruction de la masse bbbb % avec 50fb -1 HZ petit tanβ HA petit tanβ HA grand tanβ HZ grand tanβ Test de cohérence: mesure indirecte mesure directe 5% via BR σ(fb) M(GeV/c 2 )

7 Les Sparticules entrent en jeu! Au LHC: Les bosons de Higgs peuvent aussi être detectés et mesurés dans les désintégrations en cascades (exemple de CMS) Est-ce quon peut rater un boson de Higgs? Un cas difficile: Désintégration h en χ 1 χ 1 ILC: e + e - h Z χ 1 χ 1 μ μ χ 1 invisible mesure de la masse de recul au Z! précision attendue: BR invisible supérieur à 2% erreur sur la masse: 20% au moins un boson de Higgs sera observé et mesuré au ILC

8 Les particules supersymétriques Collisionneurs hadroniques: squark et gluinos section efficace importante (pb) multijet E T manquante Tevatron (2fb -1 ): squarks et gluinos (mSUGRA) 400GeV/c 2 χ 2 χ ν χ 1 χ 1 180GeV/c 2 sbottom, stop 200GeV/c 2 LHC: Squark et gluino: 2.5TeV/c 2 SLHC: Squark et gluino: 3TeV/c 2 Gluino 2.5TeV/c 2 Squark 2.5TeV/c 2 100fb -1 10fb -1

9 Cascade centrale: q L q χ 2 q R q χ 1 les endpoints de masses invariantes jet-lepton, lepton-lepton, lepton-lepton-jet contiennent de linformation sur les différences de masses. Mχ 1 = 96.2 ±5.6GeV ( 96.1GeV) Mq L = 543.3±9.6GeV (537.3GeV) Mχ 2 = 176.9±5.5GeV (176.8GeV) M R = 143.1±5.7GeV (143 GeV) Mesure de masses au LHC ~ ~ précision diff de masse ~% échelle dénergie e,μ 0.1% échelle dénergie jets 1% m max = ±0.042 ±0.08 mq edge = ± 2.4 ± 4.3 mq thr = ± 2.8 ± 2.0 m fq max = ± 1.8 ± 3.8 m q min = ± 1.5 ± 3.0 après ajustement bon accord forte corrélation des masses (100fb -1 )

10 Technique 2: Variation de lénergie du collisionneur scan du seuil de production de sparticules mesure de la section efficace ~β 3 =( 1-(4m 2 /s)) 3 précision: qq prix à payer: luminosité à haute énergie ILC: Mesure des propriétés Exemple: e + e - μ R μ R μ χ 1 μ χ 1 Mais techniques assez générales ~~ Technique 1: énergie leptonique seuils min-max Masses slepton et neutralino précision: qq limitation: les τ bdf s σ (fb) s=400GeV 200fb -1 10fb -1 /point 2m μ ~

11 ILC SUSY: au delà des masses Comment prouver quil sagit de la supersymetrie? mesurer langle de production (e.g. μ R ) distribution: ~sin 2 θ accord prédiction spin-0 La polarisation des faisceaux: e R e L voies t et s permet dannuler voie-s donc teste de nb quantique R et L via la charge! Polarisation des faisceaux sensibilité au contenu en champs des neutralinos et charginos P(e + )=0.8, P(e - )=0.6 σ(e + e - χ 2 χ 1 e + e - χ 1 χ 1 ) ~ ~~

12 Complementarité LHC/ILC Comment évaluer limpact relatif du LHC et ILC? LHC/LC Study Group (Weiglein) (aussi GDR-SUSY, Ecole des Houches 2003) choix dun jeu de paramètres analyses LHC, ILC faire des analyses combinées Jeu de paramètres: masse scalaire m 0 =100GeV/c 2 masse jaugino m 1/2 =250GeV/c 2 tanβ=10 A0=-100GeV/c 2 parametre μ = + Le spectre favorise les deux machines Higgs compatible LEP Squarks, gluinos facilement accessibles LHC χ 2 ττ 87% χ τν 100% ~ ~

13 Dans la pratique: LHC+ILC: Utilisation de la masse LSP du ILC dans des analyses LHC réduit lerreur e.g. sdown 1.5% LHC: mesurera avec précision % e.g. sdown 3% pb: charginos et neutralinos pas tous ILC: mesurera avec précision e.g. smuon 1.3 pas de gluinos, squarks (à part stop) aussi intéressant que les masses sont les paramètres fondamentaux: Approche Top-Down: ajustement mSUGRA SPS1aΔLHCΔILCΔLHC+ILC m0m m 1/ tanβ A LHC: premières mesures ILC: amélioration ordre de grandeur

14 MSSM ajustement du MSSM: approche bottom-up 24 paramètres à léchelle électrofaible LHC ou ILC: certains paramètres doivent être fixés LHC+ILC: ajustement de tous les paramètres améliorations de plusieurs paramètres Caveat: erreurs LHC ~ erreurs théoriques erreurs ILC << erreurs théoriques SPA project: amélioration prédictions théoriques LHC ILCLHC+ILC

15 Extrapolation à la grande échelle! Détermination de tous les paramètres MSSM à l échelle électrofaible: extrapolation à léchelle GUT! Lunification des couplages α i à LEP dans le passé dans le futur: unification des masses de brisure douce? B. Allanach et al: extrapolation avec précision possible uniquement avec la combinaison de LHC et ILC Q (GeV) 1/M i (GeV -1 ) M i : masses de brisure jaugino D3,Q3,U3,E3,L3: termes de brisure douce des sfermions M 2 (10 3 GeV 2 )

16 Conclusions Les bosons de Higgs exclusion du plan m A /tanβ possible avec le TeVatron le LHC verra au minimum un, peut-être plusieurs bosons de Higgs ILC: verra au moins un boson de Higgs et mesurera plus précisement des rapports dembranchement (SUSY/non-SUSY) Les particules supersymétriques E T manquante plus multijets au Tevatron (400GeV/c 2 ) et LHC (2.5TeV/c 2 ) premières mesures de masses des sparticules avec le LHC amélioration de précision (ordre de grandeur) et ajout de sparticules manquantes par lILC Si la supersymétrie est réalisée dans la nature et si les sparticules sont raisonnablement légères, LHC et ILC ensemble permettront détudier en détail la théorie!

17 Liens avec la Cosmologie Après WMAP: < Ω M h 2 = n LSP m LSP < LSP (neutralino) est candidat pour la matière noire P.Janot, Moriond Faible différence de masse Stau-LSP: ILC: précision % m0m0 m 1/2 Quelques points particulièrement difficile (M,F,K): Squarks 2.5-4TeV/c 2 Sleptons 1-3.5TeV/c 2 Neutralinos >500GeV/c 2 SPS1a: mesure LHC 3% densité relique


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