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Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 1 Alternatives Maarten Boonekamp, CEA-Saclay Groupes de travail : Origine de la Masse & Au-delà du Modèle Standard.

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1 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 1 Alternatives Maarten Boonekamp, CEA-Saclay Groupes de travail : Origine de la Masse & Au-delà du Modèle Standard Prospective DAPNIA/IN2P3 Octobre 2004

2 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 2 En résumé :  Nous avons donc les moyens d’être prêts :  à compléter le Modèle Standard électrofaible, et à tester son secteur de Higgs ;  à découvrir et mesurer la supersymétrie ; grâce au Tevatron, au LHC, et à un collisionneur linéaire d’énergie  1 TeV. Oui, mais  Les deux solutions proposées ci-dessus ne sont  ni restrictives : la phénoménologie peut être enrichie (modèles « exotiques »)  Pas de rapport direct avec la BSE, mais m h max relâché  ni uniques : d’autres mécanismes peuvent remplacer le mécanisme de Higgs et préserver l’unitarité de la théorie.  Rapport direct avec la BSE : remise en cause du secteur de Higgs  Sommes-nous prêts quoi qu’il arrive?

3 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 3 Approche complémentaire  Plutôt que de chercher à compléter un modèle cohérent mais ad-hoc, on peut se demander:  Pourquoi précisément ces champs de matière?  Pourquoi ces interactions?  Pourquoi cet espace-temps? et essayer de générer les structures connues à partir d’une dynamique sous- jacente, de préférence plus unifiée.  Vu le nombre de degrés de liberté, on comprend qu’il y ait pléthore de modèles à cette étape du raisonnement  Mais tout modèle alternatif raisonnable doit passer le test électrofaible, et se réduire à SU(2) L  U(1) à basse énergie.

4 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 4 Pistes pour la nouvelle physique  Formalisme général basé sur S, T définis pour contenir tous les effets de la nouvelle physique  m H =100 GeV, m t =175 GeV, et les relations électrofaibles parfaitement vérifiées:  S  T  0 mtmt mHmH Données Contour autorisé pour S,T  Le « test électrofaible »  Boson de Higgs lourd (voire absent) OK, SSI de nouvelles particules ramènent S,T dans les limites autorisées (et préservent l’unitarité) (68% CL)

5 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 5 Pistes pour la nouvelle physique Z’ Doublets SU(2) dégénérés (fermions) Doublets SU(2) non-dégénérés (fermion, scalaire) mH=500 GeV (exclu dans le MS)

6 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 6 Remarque (triviale): nouveaux bosons vs. nouveaux fermions  Diffusion VV  VV à haute énergie:  La ou les particules qui assurent l’unitarité de la théorie sont nécessairement des bosons  Bonnes raisons d’attendre un Z’ (par exemple) aux alentours du TeV  Des fermions supplémentaires libres n’y jouent pas de rôle et n’ont pas de raison particulière d’être “légers” Spin entier!

7 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 7 Nouveaux bosons de jauge  Les W’, Z’ apparaissent à travers  d’extensions du groupe de jauge •E6  SU(3)×SU(2) L ×U(1)×U(1)’  Z’ •SO(10)  SU(2) L ×SU(2) R ×U(1)  W’, Z’  d’extensions de l’espace-temps •excitations des bosons de jauge connus  Z KK, W KK •Modèles sans Higgs : ces excitations, légères, suffisent à assurer l’unitarité …  Limites récentes :  M Z’ > ~700 GeV, M W’ > ~800 GeV [SSM] (CDF/D0, direct)  M Z’ > ~ GeV [E6, LR], 1.7 TeV [SSM] (LEP/SLD, indirect)  Sensibilité du Tevatron~ 1.5 TeV  Futur : LHC ~ 5 TeV (SLHC ~ 6 TeV) ILC ~  s (pour Z’), ~  s/2 (W’, produit par paires)

8 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 8 Nouveaux bosons de jauge  Au LHC  Pics en masse (Z’  l + l - ) ou jacobiens (W’  l  ) jusqu’à ~5 TeV  Mesure significatives d’asymétries jusqu’à ~2.5 TeV

9 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 9 Nouveaux bosons de jauge  LHC et ILC : sensibilités comparées  LHC : recherche directe  ILC : mesures au pic du Z (partie foncée), et section efficace ee  ff (partie claire)  Mais l’information obtenue est en fait différente :  LHC mesure M Z’  ILC mesure g f L,R /M Z’ (en dessous du seuil). Suffit pour distinguer les modèles jusqu’à ~5 TeV.  Excellente complémentarité

10 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 10 Z’ : un cas intermédiaire  Jusqu’à M Z’ ~ 2 TeV, ILC peut contraindre sa masse en fonctionnant à plusieurs énergies. Par exemple (ancien), pour L = pb -1 à  s = 500,750,1000 GeV : Avec M Z’ donné par LHC

11 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 11 Nouveaux fermions  Extension simple du Modèle Standard (car pourquoi 3 générations?)  Les groupes de grande unification prédisent le plus souvent des fermions supplémentaires (E 6, SO(10), etc : grands groupes  grandes représentations)  A part les contraintes électrofaibles, peu d’indices sur leurs propriétés  Perspectives modèle-dependantes (couplage aux générations connues)  Quelques exemples :  Leptons lourds chargés : m E >100 GeV (LEP) •Mélange faible  particule quasi-stable ‘lente’ : détectable par mesure du temps de vol. LHC sensible jusqu’à ~200 GeV •Mélange fort : E   W, ou E  l Z, jusqu’à la limite cinématique à ILC  Neutrinos lourds : ILC peut voir e + e -  NN  jusqu’à m N ~150 GeV, ou N  lW jusqu’à la limite cinématique  Quarks de 4e génération : U  Wb, D  Wt jusqu’à m U,D ~700 GeV au LHC. Détectables aussi par l’amplification du couplage gg  H!

12 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 12 Dimensions supplémentaires  Idée ancienne (~1920).  La gravitation à 5D : si la physique ne dépend pas de la 5e dimension, on obtient la Relativité Générale et l’électromagnétisme (Kaluza)  Notion de compactification (par ex. sur un cercle, rayon Rc ; Klein)  Les particules ont une énergie cinétique quantifiée dans les dimensions supplémentaires, qui apparaît comme une contribution à leur masse à 4D  Ingrédient indispensable des théories de super-cordes (mais pas de conséquences pratiques)  Intérêt récent :  Rc pas nécessairement lié à l Planck  La gravitation peut devenir comparable aux forces électrofaibles vers le TeV, voire induire la BSE  Phénoménologie propre (gravitons, excitations KK au TeV)

13 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 13 Dimensions supplémentaires  Modèle Arkani-Dimopoulos-Dvali  La gravitation est diluée dans n dimensions supplémentaires  M Planck « paraît » loin à 4D, mais cache une échelle fondamentale M D plus basse.  M D ~O(TeV) si Rc ~10 -9 à m  L’échange virtuel d’une tour de gravitons mime une interaction effective à 4 corps  Ci-contre, un exemple de qq,gg   G   LHC, 100 fb -1

14 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 14 Dimensions supplémentaires  Modèle de Randall-Sundrum :  5 dimensions ; la 5e est « voilée »  Graviton produit par:  qq  G  ee  gg  G  ee On obtient un pic a priori semblable à un Z’.  Mais la distribution angulaire permet d’identifier le spin 2 du graviton LHC, 100 fb -1. M G = 1.5 TeV

15 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 15 Diffusion de bosons vecteurs  Cadre général : le lagrangien chiral L = v 2 /4 + a a 2 2 MS : a 1 = 0, a 2 = v 2 /8m H 2 Technicouleur : a 1 = N TC /96  2, a 2 = -2a 1  Cas général : a 1 et a 2 libres, et unitarisation ad hoc. a1 = 0 a2 = LHC W L W L  W L W L W L Z L  W L Z L ATLAS à LHC

16 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 16  Les sections efficaces sont en principe suffisantes pour mesurer d  /dM avec précision.  Pire cas : a1 = a2 = 0   LHC comme ILC prétendent être capables de mesurer ce régime (4-5  ) Diffusion de bosons vecteurs a1 = 0 a2 = 0 LHC  Mais est-ce suffisant? : Divers protocoles d’unitarisation donnent des prédictions différentes. Comment remonter aux a i ? W L W L  W L W L

17 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 17 Diffusion de bosons vecteurs  Problématique :  Supposons qu’on ne trouve ni boson de Higgs, ni aucune particule.clairement reliée à la BSE  S, T très en dehors des limites autorisées dans le MS  Alors la diffusion WW  WW est la seule fenêtre restante sur la BSE On teste TC, mais on trouve a 2  -2a 1  on tombe dans le schéma décrit ci-dessus.  Une mesure, aussi précise soit elle, de d  /dM WW, ne permet pas de remonter à a 1 et a 2 à cause des ambiguités dans l’unitarisation. Que faire?  « Il ne faut pas regarder plus haut, mais mieux regarder plus bas » (M.Chanowitz)

18 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 18 Conclusions : Sommes-nous prêts quoi qu’il arrive?  Une physique plus riche aux environs du TeV permet de relâcher les contraintes électrofaibles sur m H.  Réciproquement : un boson de Higgs absent, ou découvert au-delà de ~300 GeV est un fort signe de nouvelle physique. Les nouvelles particules doivent être suffisamment légères pour pouvoir compenser en S et T  Sur l’exemple du Z’:  Bonnes perspectives de découverte directe au Tevatron et au LHC; à ILC, le domaine accessible est limité  M Z’, mesuré aux machines hadroniques, et réinjecté à ILC, permet une détermination précise des couplages, même en-dessous du seuil  Peut-être des fermions et/ou des dimensions supplémentaires!  Si on y est acculés… la diffusion de bosons vecteurs peut être difficile à interpréter.

19 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 19 Back-up

20 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 20 S,T,U : une définition

21 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 21 Dimensions supplémentaires : Modèle ADD

22 Maarten Boonekamp Prospective DAPNIA/IN2P3 22 Dimensions supplémentaires : Modèle RS


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