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Le Run II de lexpérience D0 Recherche de la supersymétrie (Premiers résultats et perspectives) Auguste BESSON Séminaire IPN-Lyon 6 mars 2003.

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1 le Run II de lexpérience D0 Recherche de la supersymétrie (Premiers résultats et perspectives) Auguste BESSON Séminaire IPN-Lyon 6 mars 2003

2 Auguste BESSON2 Plan I.Le TeVatron et D0 -Laccélérateur –Luminosité –Détecteur D0 –Déclenchement II.Supersymétrie –introduction SUSY –mSUGRA –RPV –GMSB III.Recherche du Higgs

3 6 mars 2003Auguste BESSON3 Le TeVatron collisionneur p-pbarcollisionneur p-pbar Début Run II :Début Run II : 1 er Mars 2001 ÉnergieÉnergie –De 1.8 à 1.96 TeV LuminositéLuminosité –Nouvel injecteur : Main injector –Nombre de paquets : 6 x 6 36 x 36 –production antiprotons –production antiprotons –Recyclage des antiprotons : Recycler (Run IIb) Main Injector & Recycler Tevatron p source Booster p p CDF DØ

4 6 mars 2003Auguste BESSON4 Le TeVatron Run 1b Run 2a Run 2b Date ~ p/paquet (10 11 ) pbar/paquet (10 10 ) paquets 6 x 6 36 x x 103 Longueur des paquets (cm) Temps entre les paquets (ns) ~ ? interactions/croisement angle de croisement ( rad) angle de croisement ( rad)00136 p/p emittance (mm mrad) 23 /13 23 /13 20 /15 20 /15 s (TeV) s (TeV) L instantanée (10 31 cm -2 s -1 ) L instantanée (10 31 cm -2 s -1 ) Ldt (pb -1 /semaine) Ldt totale (fb -1 ) ~ 0.13 ~ 2 ~ 10-15

5 6 mars 2003Auguste BESSON5 Run IIa : Luminosité actuelle Luminosité maximale atteinte = 3.5 x cm -2 s -1 = 3.5 x cm -2 s -1 Facteur 2 manquant Facteur 2 manquant L.dt délivrée L.dt délivrée ~ 180 pb -1 (1 er mars 03) ~ 180 pb -1 (1 er mars 03) L.dt sur bande L.dt sur bande ~ 80 pb -1 (1 er mars 03) ~ 80 pb -1 (1 er mars 03) ~ 220 x 10 6 événements. date (jusquà sept. 2002)

6 6 mars 2003Auguste BESSON6 Efficacité « data to tape »

7 6 mars 2003Auguste BESSON7 La collaboration DØ ~ 650 physiciens ~ 70 institutions 18 pays 18 pays 6 labos IN2P3 (+CEA) ~ 60 français. dont 12 thésards

8 6 mars 2003Auguste BESSON8 Le détecteur DØ Run IRun I -excellent calorimètre -LAr/U, hermétique, compensation Run II upgradeRun II upgrade -traces -Détecteur de vertex au silicium au silicium -Détecteur de traces à fibres scintillantes -solénoide -2 Teslas -Pied de gerbe -Détecteur muons -Électronique -Calibration Calo. - Système de déclenchement

9 6 mars 2003Auguste BESSON9 1.2 m p p Le détecteur de vertex (SMT) Le détecteur de vertex (SMT) Détecteur au siliciumDétecteur au silicium –6 barils de 4 couches –12 disques centraux F –4 disques avants H – voies délectronique PerformancesPerformances –Reconstruction des vertex Primaires: vertex = m(r- ) Second.: vertex = 40 m(r- ); 100 m(r-z) –Couverture < 3 –Résistance aux radiations 1Mrad –B-tagging: rejection jets gluons/quarks légers Barils 50 cm Disques F Disques H 1/2 du détecteur Crucial pour top/b

10 6 mars 2003Auguste BESSON10 Le détecteur de traces (CFT) Le détecteur de traces (CFT) Détecteur à fibres scintillantesDétecteur à fibres scintillantes –Fibres scintillantes 830 µ m diam. –|η| 1.7; rayon : cm –8 super couches ; angle stereo 3 deg. – voies de lectures reliées à Des VLPC (Visible Light Photon Counters) PerformancesPerformances –Ident. /e ± ; Signe des e ± –Résolution position ~ 100 µ m Instrumenté à ~100% à ~100%

11 6 mars 2003Auguste BESSON11 Preshowers Preshowers - scintillateurs + absorbeurs Pb - Central (CPS) : monté sur le solenoide (| | < 1.2) - Avant (FPS) : monté sur les calos bouchons (1.4 <| |<2.5) ICD (Inter Cryostat Detector) ICD (Inter Cryostat Detector) - scintillateurs - scintillateurs 1.1<| |<1.4 PerformancesPerformances -position: 1.4 mm/e- de 10 GeV -Déclenchement E.M. bas pT -Séparation / 0 -Déclenchement niv.1 -Preshower avant: pas encore de lecture Pied de gerbe SMT FPS ICD CPS Solénoide

12 6 mars 2003Auguste BESSON12 Le calorimètre Échantillonnage : Argon liquideÉchantillonnage : Argon liquide Temps de dérive ~ 430 ns. Absorbeur : U/Cu,Acier.Absorbeur : U/Cu,Acier. –compact et hermétique | | < 4.2 ( 2 o ) –Compensation e/ 1 –Pureté argon importante < 0.15 ppm –Segmentation fine 5000 tours x = 0.1 x couches EM Résolution :Résolution : e : Had.: E /E ~ 45% / E Z y x p U absorbeur 3, 4 ou 6 mm EMEM FHFH CHCH OHOH MH IHIH EMEM L. Ar. gap 2.3 mm

13 6 mars 2003Auguste BESSON13 Les chambres à muons Tubes prop. à dérive (PDT) et Scintillateurs: 3 couches A,B,CTubes prop. à dérive (PDT) et Scintillateurs: 3 couches A,B,C Toroide entre couche A et BToroide entre couche A et B PerformancesPerformances –Mesure de limpulsion peu précise (association tracker central) –Bonne résolution en temps des scintillateurs (~2.5 ns) Rejection des cosmiques déclenchement Candidat Z + -

14 6 mars 2003Auguste BESSON14

15 6 mars 2003Auguste BESSON15 Toroide

16 6 mars 2003Auguste BESSON16 Système de déclenchement Luminosité instantanée : x 50Luminosité instantanée : ~ x 50 Temps de croisement : 3.5 µs 396 ns 132 ns ?Temps de croisement : 3.5 µs 396 ns 132 ns ? Section efficace totale : ~ 45 mbSection efficace totale : ~ 45 mb Système de déclenchement : 2.5 MHzSystème de déclenchement : 2.5 MHz 3 niveaux successifs –Niveau 1 ~ 10 kHz électronique –Niveau 2 ~ 1 kHz Préprocesseurs –Niveau 3 ~ 50 Hz Informatique Exemple EM_HIExemple EM_HI N1 : Tour de 15 GeV N3 : candidat e.m. pT > 15 GeV ; 15 GeV ; <1.5

17 6 mars 2003Auguste BESSON17 QCDQCD Physique électrofaiblePhysique électrofaible -Masse du W, W, sin 2 W, Z bb, tests couplages WWZ,ZZ tests couplages WWZ,ZZ Physique du bPhysique du b -Oscillation du B s, masses, désintégrations rares, sin 2, violation CP, sections efficaces, dijets bb, temps de vies,… Physique du topPhysique du top - Masse du top, Br, désintégrations rares, single top, tt,… Au delà du modèle standard :Au delà du modèle standard : -Supersymétrie (SUGRA, GMSB, RPV,…), leptoquarks, dimensions supplémentaires,… Recherche du HiggsRecherche du Higgs Un programme de physique très riche

18 Supersymétrie

19 6 mars 2003Auguste BESSON19 Pourquoi la Supersymétrie ? Larges succès du Modèle StandardLarges succès du Modèle Standard Insuffisances du S.M.Insuffisances du S.M. –nombreux paramètres libres (3 couplages, 4 CKM, 9 masses, 2 secteur Higgs) –Nombre de famille de fermions –Hiérarchie entre les masses des fermions –Brisure symétrie électrofaible –Quid de la Gravitation ? Corrections radiativesCorrections radiatives à la masse du Higgs : –Problèmes de hiérarchie Convergence des constantes de couplageConvergence des constantes de couplage S.M. = Théorie effective à basse énergie S.M. = Théorie effective à basse énergie dune théorie plus fondamentale. dune théorie plus fondamentale.

20 6 mars 2003Auguste BESSON20 –théorie la plus prometteuse pour étendre le Modèle Standard –résout le pb des divergences quadratiques du Higgs –permet la convergence des constantes de couplages à léchelle GUT –large spectre de nouvelles particules Particule Standard partenaire SUSYParticule Standard partenaire SUSY –mêmes nombres quantiques, mêmes masses –spin différent de ½ mais... –Expérimentalement aucune particule SUSY détectée La SUSY est une symétrie brisée. Dans la plupart des modèlesDans la plupart des modèles - particules SUSY produites par paires. - La particule SUSY la plus légère 1 0 (LSP) est stable et séchappe du détecteur. Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM)Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM) - Modèle le plus général mais plus de 100 paramètres SUSY: une symétrie fermion-boson

21 6 mars 2003Auguste BESSON21 un soupçon de théorie Principe de base: Construction dune théorie SUSYPrincipe de base: Construction dune théorie SUSY Particule Standard partenaire SUSYParticule Standard partenaire SUSY Générateurs SUSY : spineurs anti-commutatifs Générateurs SUSY : spineurs anti-commutatifs + Action S invariante sous une transformation susy S = le lagrangien se transforme comme une derivée totale. + algèbre SUSY fermée + invariance de jauge + termes de brisures SUSY soft (pas de div.quad.) champ scalaire (spin 0); spineur (spin 1/2) champ scalaire (spin 0); spineur (spin 1/2) Lagrangien = L(, ) S ; S S ; S S = L.d 4 x S L.d 4 x = 0

22 6 mars 2003Auguste BESSON22 Convergence des constantes de couplages Modèle Standard Modèle SUSY Échelle dénergie Q (GeV) 1/ i

23 6 mars 2003Auguste BESSON23 Corrections radiativesCorrections radiatives de la masse du Higgs Or Si (GUT)Or Si (GUT) Réglage fin à 25 décimales…Réglage fin à 25 décimales… Le problème de hiérarchie m H Masse du Higgs effective m 0 Masse non corrigée m H Corrections radiatives m H Corrections radiatives coupure ultra-violette coupure ultra-violette Apparition dune nouvelle physique à lordre du TeV ? Soit pas de particule scalaire fondamentale (technicouleur) Soit pas de particule scalaire fondamentale (technicouleur) Soit une théorie qui annule ces divergence quadratiques Soit une théorie qui annule ces divergence quadratiques

24 6 mars 2003Auguste BESSON24 Le problème de hiérarchie résolu Les corrections radiatives deviennent:Les corrections radiatives deviennent: Contributions f/b opposées.Contributions f/b opposées. Même pour des differences de masses de lordre de 1 TeV,Même pour des differences de masses de lordre de 1 TeV, Les divergences quadratiques disparaissent. Les divergences quadratiques disparaissent. Les masses des particules SUSY sont attendues à lordre du TeV.

25 6 mars 2003Auguste BESSON25 brisure de la SUSY La manière dont la SUSY est brisée nest pas connueLa manière dont la SUSY est brisée nest pas connue différents modèles différents modèles supergravitésupergravité GMSB (Gauge mediated supersymmetry breaking)GMSB (Gauge mediated supersymmetry breaking) AMSB (Anomaly mediated supersymmetry breaking)AMSB (Anomaly mediated supersymmetry breaking) etc.etc. Brisure douce = brisure sans réapparition des divergences quadratiques.Brisure douce = brisure sans réapparition des divergences quadratiques.

26 6 mars 2003Auguste BESSON26 Supersymétrie : Nomenclature SymboleSymbole Fermion s-fermion / Boson suffixe-inoFermion s-fermion / Boson suffixe-ino 2 doublets de Higgs nécessaires2 doublets de Higgs nécessaires Mélange des jauginosMélange des jauginos Particule SUSY la plus légère (LSP) souventParticule SUSY la plus légère (LSP) souvent

27 6 mars 2003Auguste BESSON27 Modèle mSUGRA Modèles plus restrictifs Supergravité (mSUGRA) = Susy locale + gravitation. 5 paramètres: m 0 : masse commune des sfermions à léchelle GUTm 0 : masse commune des sfermions à léchelle GUT m 1/2 : masse commune des jauginos à léchelle GUTm 1/2 : masse commune des jauginos à léchelle GUT tan : rapport des valeurs moyennes dans le vide des 2 doublets de Higgstan : rapport des valeurs moyennes dans le vide des 2 doublets de Higgs Sign : signe du paramètre de mélange des HiggsinosSign : signe du paramètre de mélange des Higgsinos A 0 : couplage trilinéaire commun à léchelle GUTA 0 : couplage trilinéaire commun à léchelle GUT Équations du Groupe de RenormalisationÉquations du Groupe de Renormalisation masses des particules SUSY (+Higgs). masses des particules SUSY (+Higgs).

28 recherches SUSY à D0 MSSM / mSUGRA MSSM / mSUGRA – sections efficaces – neutralinos/charginos – squarks et gluinos RPV RPV – production de paires – production résonnante GMSB GMSB – neutralino NLSP – stau NLSP

29 6 mars 2003Auguste BESSON29 RPC: ppbar SUSY mET + leptons + jetsRPC: ppbar SUSY mET + leptons + jets signature la plus favorablesignature la plus favorable = f(modèle, sections efficaces, rapports de branchements, masses, etc.) charginos/neutralinoscharginos/neutralinos trileptons + mET dileptons + mET squarks et gluinossquarks et gluinos jets + mEt single + jets + mET stops et sbottom b-jets+leptons+mEtstops et sbottom b-jets+leptons+mEt De nombreuses signatures... b 1 b e + e - ~ ~ ~

30 6 mars 2003Auguste BESSON30 A 0 = 0 m 0 = 100 tan = 5 < 0 < 0 m 1/2 paramètre déterminant m 1/2 (GeV) ± 0 ± 0 squarks ± ± ± ± sleptons A 0 = 0; m 0 = 100; tan = 5; < 0 Section efficace de production de paires en fonction de m 1/2 (mSUGRA) Sections efficaces (pb) Pour m 1/2 > 100 GeV et m 0 > 100 GeV Production de paires Charginos/Neutralinos Charginos/Neutralinosdominante

31 6 mars 2003Auguste BESSON31 Charginos/neutralinos: canal 3-leptons ppbar SUSY mEt + l l lppbar SUSY mEt + l l l combinaison eee,ee,e,combinaison eee,ee,e, Bruit de fondBruit de fond –Standard très bas –BdF. instrumental Run IRun I –Aucun excès observé RUN I Les evts 3-leptons + mET sont une signature classique pour la SUSY golden channel 2 o q 1 - ~ q _ l - l W - 1 o ~ ~ l - Z0Z0 l + 1 o ~

32 6 mars 2003Auguste BESSON32 Luminosité ~ 42 pb -1 -> Sélection 3 leptons: eee, eeLuminosité ~ 42 pb -1 -> Sélection 3 leptons: eee, ee principales coupures: pT el1 >15 GeV; pT el2 >10 GeV; M ee 15 GeV; pT el2 >10 GeV; M ee < 70 GeV Bruit de fond: QCD, ttbar, WW, W+jet, W+, Z W+jet, W+, Z + « fake » électron Pt9: m 0 = 150; m 1/2 = 150; tan = 2; < 0; A 0 = 0 Pt9: m 0 = 150; m 1/2 = 150; tan = 2; < 0; A 0 = 0 Pt5: m 0 = 500; m 1/2 = 100; tan = 2; < 0; A 0 = 0 xBr (pb -1 ) Pt5 = 0.58 Pt9 = 0.30 Charginos/neutralinos: RunII

33 6 mars 2003Auguste BESSON33 m e1e2e3 = 85.2 GeV/c 2 ME T =10.7 GeV m e2e3 = 63.5 m e1e3 = 10.8 m e1e2 = 55.7 e3e2e1 E T = 13.2 GeV p T = 15.1 GeV = 1.06 = 1.06 = 5.72 = 5.72 Charge = -1 E T = 13.9 GeV p T = 10.9 GeV = = = 2.80 = 2.80 Charge = +1 E T = 17.9 GeV p T = 0.52 GeV = 0.43 = 0.43 = 5.42 = 5.42 Charge = +1 D Run 2 Preliminary Electrons Electron Il faut y croire… (just for fun) 2 o q 1 - ~ q _ l - l W - 1 o ~ ~ l - Z0Z0 l + 1 o ~ candidat eee

34 6 mars 2003Auguste BESSON34 Masse invariante M (GeV) D0 Run II preliminary Analyse « like sign »Analyse « like sign » –bruit de fond standard trés bas trés bas –analyses RPC ( ) Charginos/neutralinos: di-muons de même signe Analyse L = 41pb -1 Analyse L = 41pb -1 Coupures Coupures – 2 muons isolés de m.signe – pT>10 et pT>5 GeV Perspectives RunII (CDF): m 0 =100; m 1/2 =90-140; tan =5; <0; A 0 =0

35 6 mars 2003Auguste BESSON35 squarks: section efficaces La production de squarks dépendLa production de squarks dépend uniquement de leur masse tan = 5; < 0; A 0 = 0 section efficace Squark-squark + Squark-antisquark Squarks dominants Cross-section (pb) squark mass (GeV) m 0 (GeV) m 1/2 (GeV)

36 6 mars 2003Auguste BESSON36 squarks et gluinos Etat finalEtat final >=2 jets + mET PRL 83, 4937 (1999) no EWSB Run I tan = 2; < 0; A 0 = 0 D0 Run II preliminary (jet1-jet2) (jet1-jet2) - MC. Data L ~ 6 pb -1 coupures: mET, pTjets somme scalaire de ET acoplanarité. pas encore de limites

37 GMSB modèles Run II. étude préliminaire: di-photons + mET stau NLSP: +mET

38 6 mars 2003Auguste BESSON38 GMSB Minimal Model of Gauge Mediation (MGM) 6 parameters :Minimal Model of Gauge Mediation (MGM) 6 parameters : effective visible sector SUSY breaking parameter effective visible sector SUSY breaking parameter N number of messenger M m mass scale of messengers tan ratio of v.e.v. of the 2 higgs doublets sign( ) sign of mixing parameter of higgsinos C G ratio of the messenger sector SUSY breaking order parameter to the intrinsic SUSY breaking parameter –nature de la NLSP: 0 1, stau, slepton, squark, etc. 0 1, stau, slepton, squark, etc. –distance de vol NLSP –signature: +mET; l l +mET ; +mET, +mET; l l +mET ; +mET,monojet Fermilab Run II workshop: Baer et al. hep-ph/ Baer et al. hep-ph/

39 6 mars 2003Auguste BESSON39 Neutralino NLSPNeutralino NLSP Etat final:Etat final: + mET + X + mET + X N = 1; M m = 2 ; tan =15; > 0 BackgroundBackground W,Wj,Zee,tt,WW,WZ,etc. Coupures: pT >20 GeV, track vetoCoupures: pT >20 GeV, track veto (Jet,mET)>0.5 (Jet,mET)>0.5 M GeV, vertex mET > 25 GeV di-photons + mET Run I D0. PRL 80, 3, 442 (1998) Run II preliminary: D0 Run II preliminary Expected Bkd Data pb -1 - MC. + Data

40 6 mars 2003Auguste BESSON40 di-photons + mET. RunII neutralino NLSPneutralino NLSP N = 1; M m = 2 ; tan =15; > 0 Bruit de fondBruit de fond QCD, Drell-Yan, W,W+jets Ztautau, t tbar, etc. Luminosité = 41 pb -1Luminosité = 41 pb -1 coupurescoupures 2 photons + veto trace + Missing ET

41 6 mars 2003Auguste BESSON41 canal + mET dans certaines régions, stau est NLSP:dans certaines régions, stau est NLSP: stau tau + gravitino identification du tau primordiale pour de nombreuses recherches. nouveauté RunIIidentification du tau primordiale pour de nombreuses recherches. nouveauté RunII Identification par réseau de neuronesIdentification par réseau de neurones –Recherche Z : sélection +jet – 0 – 0 (Anne-Catherine Lebihan) données « même signe » ; données « signes opposés » coupure N.N. > 0.95: 11 évts.m.signe et 56 évts signe opp.

42 R-parité non conservée (RPV) conséquences conséquences canal diélectrons + jets canal diélectrons + jets production résonnante production résonnante

43 6 mars 2003Auguste BESSON43 Potentiel SUSY :Potentiel SUSY : L,Q,D,E = supermultiplets (particule standard + superpartenaire) L,Q,D,E = supermultiplets (particule standard + superpartenaire) i,j,k = 1,2,3 (indices sur les familles) i,j,k = 1,2,3 (indices sur les familles) = 45 nouveaux couplages de Yukawa = 45 nouveaux couplages de Yukawa nombres Leptoniques ( and ) ou Baryoniques ( ) nombres Leptoniques ( and ) ou Baryoniques ( ) non conservés définition R-parité : nombre quantique discret multiplicatif définition R-parité : nombre quantique discret multiplicatif B= Baryon nb, L=nb Lepton, S=spin B= Baryon nb, L=nb Lepton, S=spin R p = +1 particule SM R p = +1 particule SM R p = -1 particule SUSY R p = -1 particule SUSY R-p conservé (RPC) W rpv nul R-p conservé (RPC) W rpv nul R-parité violée (RPV) non exclue théoriquement R-parité violée (RPV) non exclue théoriquement R-parité avec R p = (-1) 3B+2S+L

44 6 mars 2003Auguste BESSON44 R-parité conservée/violée : conséquences R-p conservée:R-p conservée: -LSP stable et candidat à la matière sombre -Particules susy produites par paires -LSP séchappe du détecteur Et miss R-p non conservée: violation des nombres B ou LR-p non conservée: violation des nombres B ou L Désintégration de la LSPDésintégration de la LSP -À lintérieur du détecteur (avec ou sans vertex déplacé) -En dehors du détecteur Signature Susy différenteSignature Susy différente –Peu Et miss –Plus de leptons ( or ) et de jets ( or ) production simpleproduction simple -via TeVatron -section efficace ( ijk ) 2 q g q _ q ~ q ~ _ (+1) (-1) (+1) (-1)

45 6 mars 2003Auguste BESSON45 RPV: couplage scalaire1 scalaire et 2 fermions Désintégration LSP OU

46 6 mars 2003Auguste BESSON46 Modèle mSUGRA (m 0 ; m 1/2 ; A 0 ; sign ; tan );Modèle mSUGRA (m 0 ; m 1/2 ; A 0 ; sign ; tan ); LSPLSP Particules susy produites par pairesParticules susy produites par paires Tous les types de paires produits Cascades de désintégrations: 2 LSP Couplage dominant 122Couplage dominant 122 Désintégration de la LSP dans le détecteurDésintégration de la LSP dans le détecteur 1jk >~ jk >~ LSP 1 e + 2 jets LSP particule de MajoranaLSP particule de Majorana –2 électrons même signe (L.S.) possible Production de paires + RPV: canal di-electron État final : 2 L.S. électrons + 4 jets Bruit de fond standard très bas Bruit de fond standard très bas

47 6 mars 2003Auguste BESSON47 Contours dexclusions attendus Bruit de fond:Bruit de fond: Drell-Yan, ttbar,ZZ,WZ,WW Z + - e + e - + jets, bruit de fond instrumental coupurescoupures pT el1 15 ; pT el2 10 GeV Mee GeV pTjet 20 GeV Limites à 90% c.l.Limites à 90% c.l. CasCas Bas m 0 :Bas m 0 : contribution squarks Pour 2 fb -1 :Pour 2 fb -1 : m squark >~ 700 GeV ; m neutralino 1 >~ 95 GeV m 1/2 (GeV) m 0 (GeV) tan = 5 < 0 < 0 A 0 = 0 RUN II

48 6 mars 2003Auguste BESSON48 Run II: premières données Données du 06/02; L = 9.7 pb -1 (~10% Run I)Données du 06/02; L = 9.7 pb -1 (~10% Run I) Sélection avec 2 e de même signeSélection avec 2 e de même signe Erreur : section efficace + statistique + luminosité (15%) 10 événements avec 2 leptons de même signe. Masse invariante Mee 8 evts / 10 proches du pic du Z D0 Run II preliminary

49 6 mars 2003Auguste BESSON49 Recherche dévénements à grande multiplicité en jets : 2 électrons de même signe + 2 jets e1e2 2 jets p T (cal) = 60.8 p T (CFT) = 68.4 = 0.39 = 0.39 = 5.58 = 5.58 charge = -1 p T (cal) = 27.2 p T (CFT) = 36.7 = 1.18 = 1.18 = 2.19 = 2.19 charge = -1 p T (cal) = 27.5 / 24.8 = 1.44 / 0.07 = 1.44 / 0.07 = 3.43 / 1.21 = 3.43 / 1.21 Mee = 87.2 GeV ; Missing Et = 16.1 Run ; évt D Run 2 Preliminary 2 jets probablement : Z + 2 jets M ee = 87.2 GeV

50 6 mars 2003Auguste BESSON50 Run I:Run I: L = 94 5 pb -1 Events observed = 5 Expected Backg = productions résonnantes: canal Dimuons A 0 = 0 ; < 0 ; tan = % conf. level Run II: Run II: (Fast simulation) 211 = =0.05 Déliot et al., EPJ C 19 (01) 155 A 0 = 0 ; < 0 ; tan = 2 u 1 o L ~ d _ u d d 1 - ~ + ~ d _ l - l W - 1 o ~ _ u d

51 6 mars 2003Auguste BESSON51 Susy: Quelles chances au TeVatron ? Pour les sceptiquesPour les sceptiques –contraintes LEP fortes SUGRA: m 1/2 >~ 200 GeV peu favorable au TeVatron –difficultés: nombreux états finals différents suivant les modèles. nécessité de recherche dans un très grand nombre de modèles. nécessité de recherche dans un très grand nombre de modèles. Pour les optimistesPour les optimistes –améliorations: s + + détecteur: Run II >> Run I –RunIIa (2 fb -1 ): m(squarks) >~ 400 GeV ; m(gluino) >~ 400 GeV mSUGRA: m 1/2 >~ 250 GeV pour tan =5. –pas de meilleure alternative (qui croit à la technicouleur ?) –de nombreuses hypothèses étudiées

52 Recherche du boson de Higgs

53 6 mars 2003Auguste BESSON53 Higgs: production production simpleproduction simple –fusion gluon-gluon – ~ 1 pb production H+W/Zproduction H+W/Z – ~ 0.1 à 0.2 pb Masse (GeV/c 2 ) (pb) (pb)

54 6 mars 2003Auguste BESSON54 Higgs: rapports de branchements M H >140 GeV: H WW* dominantM H >140 GeV: H WW* dominant gg H H l l H l l qq W/Z+H W/Z+H l l j j Drell-Yan, WW, WZ, ZZ, tt, tW, Drell-Yan, WW, WZ, ZZ, tt, tW, Rapport de branchement M H <140 GeV: H bb dominant (Br ~ 50-90%)M H <140 GeV: H bb dominant (Br ~ 50-90%) gg H: Bdf QCD énorme qq W/Z+H: étiquetage du lepton (e, ) W/Z decay WH l bb (Wbb, WZ, tt, single top) ZH l l bb (Zbb, ZZ, tt) ZH bb (QCD, Zbb, ZZ, tt) + fond irréductible QCD bb ~ 100 b Masse H (GeV/c 2 ) Masse H (GeV/c 2 )

55 6 mars 2003Auguste BESSON55 Recherche du Higgs Points clés:Points clés: –b-tagging –Résolution masse inv. Mbb –Haute luminosité requise –Déclenchement –résolution mET –Connaisssance Bdf. Run 2A (2 fb -1 )Run 2A (2 fb -1 ) –exclura m H 115 GeV Run 2B (15 fb -1 )Run 2B (15 fb -1 ) –exclura m H 180 GeV –5 pour m H ~ 115 GeV La SUSY favorise m h < 140 GeV/c 2 Masse H (GeV/c 2 ) Masse H (GeV/c 2 ) Luminosité / expt. (fb -1 ) LEP Tous les canaux D0 + CDF

56 6 mars 2003Auguste BESSON56 Conclusion RUN IIa :RUN IIa : –détecteur amelioré; + L int 20 ; +10% en énergie –DØ prend des données de physique depuis 1,5 an. Le détecteur tient ses promesses. La luminosité saméliore ( cm -2 s -1 ) ~ 200 pb -1 attendus été ~ 200 pb -1 attendus été ~ 2 fb -1 en ~ 2 fb -1 en Run 2a: L 1x10 32 cm -2 s -1, Ldt 2 fb -1 Run 2b: L 5x10 32 cm -2 s -1, Ldt 15 fb -1 –Un programme de physique enthousiasmant Top, b, W/Z, SUSY, Higgs, etc… Le meilleur est à venir...

57 ANNEXES

58 6 mars 2003Auguste BESSON58 Luminosité émittance transverse dans lanneau daccumulation émittance transverse dans lanneau daccumulation interaction faisceau-faisceau dans le TeVatron interaction faisceau-faisceau dans le TeVatron vide au niveau de CDF vide au niveau de CDF stabilité donc temps de vie des faisceaux stabilité donc temps de vie des faisceaux durée du faisceau de proton de 150 GeV dans linjecteur durée du faisceau de proton de 150 GeV dans linjecteur pertes dantiprotons lors de leur accélération pertes dantiprotons lors de leur accélération pertes dans les transferts pertes dans les transferts « inefficacité » de D0 (Experiment to tape efficiency) « inefficacité » de D0 (Experiment to tape efficiency) ~ 75 % (objectif > ~90%). Progrès constants

59 6 mars 2003Auguste BESSON59 Le détecteur central Détecteurs de trace:Détecteurs de trace: –Détecteur de vertex au silicium 6 barils de 4 couches 12 disques centraux F 4 disques avant H Primaires: vertex = m(r- ) Second.: vertex = 40 m(r- ); 100 m(r-z) –Détecteur de traces à fibres scintillantes fibres scintillantes + VLPC 8 super couches; |η| 1.7 résolution position ~ 100 µ m Preshower et ICDPreshower et ICD –Solénoide: 2 T –Détecteur de pied de gerbe résolution: 1.4 mm/e- de 10 GeV –Détecteur intercryostat scintillateurs scintillateurs 1.1<| |< m p p SMT SMT ICD CFT Solénoide Preshower

60 6 mars 2003Auguste BESSON60 North End Cap South End Cap Central Cal. Le calorimètre (2)

61 6 mars 2003Auguste BESSON61 Calorimètre DØ: Partie active : Argon liquide (LAr) Gerbe électromagnétique Ionisation de largon liquide Charge collectée Coups ADC puis GeV Pureté de lArgon liquide Toute molécule électronégative ( O 2 ) absorbe les e - et donc diminue le signal. E=10kV/cm, gap=2mm (ATLAS LARG-NO-53) Nécessite une pureté ~ 0.5 ppm Mesure précise de la pollution Pollution (ppm) (charge collecté) / (charge idéale) (charge collecté) / (charge idéale) Pourquoi mesurer la pureté de largon ?

62 6 mars 2003Auguste BESSON62

63 6 mars 2003Auguste BESSON63 QCD: premières données Only statistical errors Corrections préliminaires Corrections préliminaires pour léchelle dénergie Pas de correction pour les triggers Pas de correction pour les triggers (biais) ou pour les efficacités de sélection Only statistical errors Single Jet P T Single Jet P T Dijet Invariant Mass 2-jets event E T jet1 ~ 230GeV E T jet2 ~ 190GeV Luminosité: ~1 pb -1 ~1 pb -1

64 6 mars 2003Auguste BESSON64 WW production Search for ee+E T eventsSearch for ee+E T events A lot of interest in this channel (tri-linear couplings, New Phenomena)A lot of interest in this channel (tri-linear couplings, New Phenomena) Exotic Higgs Models:Exotic Higgs Models: –4 th SM family enhance Higgs cross sections by a factor of ~8.5 for Higgs mass between GeV –Fermiophobic/Topcolor Higgs: BR(H WW) >98% for mH 100 GeV Backgrounds due to misidentified objects.Backgrounds due to misidentified objects. Azimuthal opening angle between the leptons Azimuthal opening angle between the leptons Require good e + e - Require good e + e -, missing ET, no jets luminosity 8.8 pb -1 /

65 6 mars 2003Auguste BESSON65 di-jets events Why measure this stuff anyway?Why measure this stuff anyway? Some people think QCD measurements are only for "tuning Monte Carlo" or some such. In fact, that is just a small part of what we do.Some people think QCD measurements are only for "tuning Monte Carlo" or some such. In fact, that is just a small part of what we do. Consider the inclusive jet cross section:Consider the inclusive jet cross section: 1.Verify accuracy of parton-level NLO calculations, which start to fail at low- Pt in our Run I experience. We now think hadronization is an important effect, and maybe we need NNLO if we go as low as 20 GeV. 2.Search for compositeness, etc., which would result in an excess at high-Pt 3.Our rapidity-dependent cross section drives the gluon pdf now at medium to high x. Before the PDF was very speculative because it was extrapolated from extremely low x. We make measurements in a regime that is qualitatively well-understood but quantitatively at the frontier.We make measurements in a regime that is qualitatively well-understood but quantitatively at the frontier. The dijet mass analysis is complementary to the inclusive, but has a slight reliance on Monte Carlo that we don't have with the inclusive. The dijet mass also has a greater sensitivity to new phenomena. We pride ourselves on nearly-complete freedom from MC in the inclusive (only the showering correction, ~1-2%, comes from MC).The dijet mass analysis is complementary to the inclusive, but has a slight reliance on Monte Carlo that we don't have with the inclusive. The dijet mass also has a greater sensitivity to new phenomena. We pride ourselves on nearly-complete freedom from MC in the inclusive (only the showering correction, ~1-2%, comes from MC).

66 6 mars 2003Auguste BESSON66 Exemple danalyse: canal dilepton ppbar SUSY mEt + l l jjppbar SUSY mEt + l l jj coupurescoupures –2 leptons (e, ), pT –2 jets, coupures pT –mEt > 20 GeV Bruit de fondBruit de fond –Z+X et ttbar –BdF. instrumental Run IRun I –Aucun excès observé RUN I

67 6 mars 2003Auguste BESSON : Désintégrations directes et indirectes 122 : Désintégrations directes et indirectes Exemple: désintégration directe du Neutralino 2 en RPVExemple: désintégration directe du Neutralino 2 en RPV Désintégrations RPV des sparticules autres que la LSP négligeables >0 <0 couplagecouplage Rapport de branchement RPV Br <3% Br <3% Limite de 122 de 122 Rapport de branchement RPV Limite de 122 de 122

68 6 mars 2003Auguste BESSON : valeur minimale 122 : valeur minimale Couplage faible distance de vol de la LSP non négligeableCouplage faible distance de vol de la LSP non négligeable Valeur minimale accessible du couplage 122 pour une distance de vol de 1 cm Limite sur le couplage 122Limite sur le couplage 122 Jusquà m 0 < 500 GeVJusquà m 0 < 500 GeV : vol < 1 cm. : vol < 1 cm. Large région accessible jusquàLarge région accessible jusquà Production simple:Production simple: tan = 5 < 0 < 0 A 0 = < < >~ >~ >~ >~ Lignes de niveau de 122 Lignes de niveau de 122 pour une distance de vol de 1 cm 122 >~ >~ 10 -2

69 6 mars 2003Auguste BESSON69 Rapport de branchement LSP e ± +2jets Désintégration LSP e ± ou + 2 jetsDésintégration LSP e ± ou + 2 jets >0 <0 0 bino-like pour < 0 0 bino-like pour < 0 0 wino-like pour > 0 0 wino-like pour > 0 < 0 Br(ejj) ~ 50% < 0 Br(ejj) ~ 50% > 0 Br(ejj) ~ 10% > 0 Br(ejj) ~ 10% Rapport de branchement e ± + 2 jets

70 6 mars 2003Auguste BESSON70 Constraintes expérimentales sur les couplages RPV Limites indirectes (processus à basse énergie)Limites indirectes (processus à basse énergie) - Universalité e- - - Désintégration double-beta sans neutrinos - Désintégration top - Universalité des courants chargés - Violation de parité atomique - etc. Limites à 2 pour m = 100 GeVLimites à 2 pour m = 100 GeV (limites dépendent des masses) Limites fortesLimites fortes sur les produits de couplages -désintégration du proton: 11k. 11k < k. 11k < Barger et al. Phys.Rev. D40 (89) Ledroit, Sajot GDR-S-008 (98) Allanach et al., PRD 60 (99) ~ u u d u dkdkdkdk ~ d _ e+e+ p

71 6 mars 2003Auguste BESSON71 En résumé… Production de ± 0 dominanteProduction de ± 0 dominante m 1/2 paramètre le plus significatifm 1/2 paramètre le plus significatif Production de squarks favorisée àProduction de squarks favorisée à petit m 0 (< 100 GeV), petit tan (<5) et < 0 Production de sleptons négligeableProduction de sleptons négligeable Sauf à grand m 1/2 et petit m 0 Section efficace totale supérieure pourSection efficace totale supérieure pour >0 par rapport à 0 par rapport à <0 Cas >0 très défavorable: Br(LSP jj) dominantCas >0 très défavorable: Br(LSP jj) dominant Désintégrations directes en RPV négligeablesDésintégrations directes en RPV négligeables Couplage 122 : sensibilité jusquà ~10 -4Couplage 122 : sensibilité jusquà ~10 -4

72 6 mars 2003Auguste BESSON72 ME T ME T =31.8 GeV m = 41.5 GeV/c 2 2 1e p T = 9.82 GeV = = = 2.88 = 2.88 Charge = 1 p T = 28.2 GeV = = = 6.20 = 6.20 Charge = -1 E T = 19.2 GeV = 0.40 = 0.40 = 0.63 = 0.63 No track match D Run 2 Preliminary Muon Electron Muon system Muon candidat e candidat e

73 6 mars 2003Auguste BESSON73 Phenomenology:Phenomenology: –Light Gravitino (<

74 6 mars 2003Auguste BESSON74 Erreur sur la détermination de la charge Sélection de 2 électrons dans le pic du ZSélection de 2 électrons dans le pic du Z –pTe1 > 15 GeV –pTe2 > 10 GeV –2 traces associées –86 < Mee < 98 Lerreur dépend du pTLerreur dépend du pT Taux derreur ~ 4 % Masse invariante Sert à évaluer le B.d.F.

75 6 mars 2003Auguste BESSON75 Resonant production : dimuons channel Dominant coupling 211Dominant coupling 211 resonant prod via RPV resonant prod via RPV Decay of LSP via RPV Decay of LSP via RPV Backgd : tt, Z+2jets, WW+jetsBackgd : tt, Z+2jets, WW+jets Cuts : pT 20 GeV ; pT jets 20 GeVCuts : pT 20 GeV ; pT jets 20 GeV Scalar ET 50 GeV ; R jets 0.5 u 1 o ~ L ~ d _ u d Final State : jets u d d 1 - ~ + ~ d _ l - l W - 1 o ~ _ _

76 6 mars 2003Auguste BESSON76 Resonant production : 3 leptons channel u d d 1 - ~ + ~ d _ l - l W - 1 o ~ Déliot et al., EPJ C 19 (01) 155 A 0 = 0 ; < 0 ; tan = 1.5 Final State : jets Mass reconstruction Fast simulation: M ̃ 0 1 =77.7 GeV (MC input) 2 jets and softer muon: M ̃ 0 1 =71 GeV ( 9) L int = 10fb = = 0.09

77 6 mars 2003Auguste BESSON77 Dominant coupling 3jkDominant coupling 3jk Resonant stop production Resonant stop production Stop decays to b Stop decays to b to which decays outside the detector to which decays outside the detector Backgd:Backgd: W+b-fake,Wbb,Wcc, single top Cuts: pTb > 40 GeV ;Cuts: pTb > 40 GeV ; pTlepton > 20 GeV;no other lepton or jet Run I: 110 pb -1Run I: 110 pb -1 Resonant Squark Production d 1 + ~ b t ~ s l l W 1 o ~ Berger et al.,PRD 63, (01) Final State : 1 charged lepton, 1 b-jet + missing ET

78 6 mars 2003Auguste BESSON78 Run II studies : 3jk, 2 fb -1Run II studies : 3jk, 2 fb -1 –Perspectives with Fast simulation (SHW) Resonant Squark Production Berger et al.,PRD 63, (01)

79 6 mars 2003Auguste BESSON Sbottom Mass (GeV) dominant coupling 331 dominant coupling tt production t bdtt production t bd t W - b l b t W - b l b decays outside the detector decays outside the detector Backgd : tt, WbbjBackgd : tt, Wbbj Cuts : pT> 20 GeV, | | 20 GeV, | | < 2.5, Rjj > 0.5 Rjj > 0.5 Run II studiesRun II studies (fast simulation, 2fb -1 ) studies Top decay via RPV : Run II studies Final state: 1 lepton + 2 b-jets + 1 jet + ETmiss _ _ Abraham et al. Phys.Lett.B (2001) Eilam et al. Phys.Lett.B (2001) __ Han et al. Phys. Lett.B (2000) _

80 6 mars 2003Auguste BESSON80 étiquetage du b à lIRES Br(b ) ~ 10%Br(b ) ~ 10% Sélection des b dansSélection des b dans les données +jets entrées Estimation duEstimation du contenu en b pT du relatif à laxe jet données contribution des b Monte-Carlo 35 % de b

81 Physique életrofaible

82 6 mars 2003Auguste BESSON82 Sections efficaces :Sections efficaces : (pp Z+X) et (pp W+X) ~ 7nb (pp Z+X) et (pp W+X) ~ 7nb Masse du WMasse du W Largeur du WLargeur du W Asymétrie Av/Arr.Asymétrie Av/Arr. du Z l + l - mesure de sin 2 W Couplages anomaux:Couplages anomaux: WWZ,WW,ZZ,Z WWZ,WW,ZZ,Z intérêts:intérêts: tests Modèle Standard, contraintes PDFs des protons, contraintes Higgs, indispensable pour la physique du top et du Higgs Physique W/Z CanalRunI (100 pb -1 ) RunII (2 fb -1 ) W e W e 60 k 1.6 M Z ee 6 k 160 k W50 1 k Z k WW,WZ,ZZ leptons quelques150 validation des capacités du détecteur

83 6 mars 2003Auguste BESSON83 Spectre de masse transverse RunII: W e et Z ee D0 preliminary M T W =(2 P e T P T [1-cos ]) dots: Data histogram: MC ETeETe MTMT pTwpTw ETET Z e + e - Masse invariante : = 90.8 GeV

84 6 mars 2003Auguste BESSON84 Mesure de la masse du W M W Masse transverse: Masse transverse: Méthode: Méthode: Facteurs limitants: Stat.; échelle dénergie jets Facteurs limitants: Stat.; échelle dénergie jets LEP2: m W = ± GeV Run I D0 : m W = ± GeV Run I D0 + CDF: m W = ± GeV Run IIa : m W = ± 30 MeV (D0) ± 15 MeV (D0+CDF) ± 15 MeV (D0+CDF) - Monte-Carlo avec une paramétrisation de la réponse des électrons et des e (mET) pour reproduire les distributions mesurées P T (e), P T (n), M T en fonction de M W - Paramétrisation déterminée à partir des données (Z e + e - ) - Masse déterminée à laide dun ajustement par likelihood (vraisemblance)

85 6 mars 2003Auguste BESSON85 RunII: W/Z, Sections efficaces échantillon de donnéeséchantillon de données –Luminosité ~ 7.5 pb -1 Premières mesures de sections efficacesPremières mesures de sections efficaces à 1.96 TeV ! DØ NNLO Van Neerven et al D0 preliminary

86 6 mars 2003Auguste BESSON86 RunII: Largeur du W Rapport des sections efficacesRapport des sections efficaces –annulation dune partie des systématiques : mesure de la largeur du boson Wmesure de la largeur du boson W –en utilisant (W)/ (Z) théorique et BR(Z ee) du LEP –mesure world average: W = ± GeV W = ± GeV

87 6 mars 2003Auguste BESSON87 W/Z + jets Multiplicité des jetsMultiplicité des jets Importance: Importance: - Physique du top: W+ 3jets, Z+ 2jets -Physique du Higgs : W/Z + 2jets - Bruit de fond pour de nombreuse analyses Z + - W e Nombre de jets

88 Physique du top

89 6 mars 2003Auguste BESSON89 Section efficace de productionSection efficace de production Rapports de branchement,Rapports de branchement, canaux rares de désintegrations vertex Wtbvertex Wtb Masse du topMasse du top Largeur du topLargeur du top Production simpleProduction simple Corrélation de spinCorrélation de spin Recherche de Higgs chargéRecherche de Higgs chargé Energie TeV + 40%Energie TeV + 40% (pp tt) ~ 8 pb (pp tt) ~ 8 pb Physique du top

90 6 mars 2003Auguste BESSON90 top : rapport de branchements Etat initialEtat initial -qq = 85 % ; gg = 15 % Top W bTop W b -état final dépend du mode de désintegration du W de désintegration du W ClassificationClassification -di-leptons -jets + lepton -all jets CanalRunII (2 fb -1 ) S:B dilepton 2005:1 lepton + 4jets 1,800 lepton+ 3jets/b-tag 1,4003:1 lepton+ 4jets/b-b tags :1 Single top 3301:2 _ f f W+W+ t _ b

91 6 mars 2003Auguste BESSON91 Sélection :Sélection : -1 lepton isolé + 4 jets -étiquetage du b Ajustement cinématiqueAjustement cinématique - M l =M W ; M qq =M W ; M l b =M qqb M l b =M qqb - ajustement par 2 pour chaque événement ComplicationsComplications -Combinatoire entre les jets -Radiations de gluons RunI : Masse du top en lepton + jets m t = 173.3±5.6±5.5 GeV

92 6 mars 2003Auguste BESSON92 Run I : D0+CDFRun I : D0+CDF Améliorations Run IIAméliorations Run II -statistique -Double b-tag Réduit combinatoire -e/ ID -Monte-Carlo. Radiations gluons -calibration jets < Données Z bb; W jj Masse du top : Run II Incertitudes (GeV) Run I Run IIa Statistiques Echelle dE Générateur fond Générateur signal Fit likelihood Total systématiques TOTAL (par expérience) Erreurs pour « leptons + jets » m t = 174.3±5.1 GeV Tous les canaux combinés: m t ~ 2 GeV/c 2

93 6 mars 2003Auguste BESSON93 Run II Pourquoi mesurer la masse du top ? Paramètre important du modèle standardParamètre important du modèle standard - système BBbar Corrections radiativesCorrections radiatives Contraintes sur le HiggsContraintes sur le Higgs m t 2-3 GeV (par exp.) m t 2-3 GeV (par exp.) m W 30 MeV m W 30 MeV Constraint la masse du Higgs

94 6 mars 2003Auguste BESSON94 top : Sections efficaces theory CDF dilepton DØ dilepton DØ topological CDF lepton-tag DØ lepton-tag CDF SVX-tag CDF hadronic DØ hadronic DØ combined CDF combined Berger et al. Bonciani et al. Laenen et al. Nason et al pb Run I : 5.9 ± 1.7 pbRun I : 5.9 ± 1.7 pb Intérêt: test QCD, nouvelle physique.Intérêt: test QCD, nouvelle physique. Principales erreurs :Principales erreurs : Luminosité ± 5 % Monte-carlo ± 4 % Echelle denergie ± 2 % ISR/FSR ± 2-3 % Points clés :Points clés : Réseaux neurones Etiquetage des b Combinaisons des états finals Précision attendue :Précision attendue : RunIIa ~ 8%

95 6 mars 2003Auguste BESSON95 Sections efficaces (théo.)Sections efficaces (théo.) - (pp Wg t+X) = pb - (pp W* t+X) = pb IntérêtIntérêt -accès au vertex W-tb -Largeur du quark top (qq tb) (t W+b) |Vtb| 2 Points clésPoints clés - Efficacité b-tagging - Taux faux leptons et faux b-jets - Réseaux de neurones - Bruit de fond pour la recherche du Higgs Résultats attendusRésultats attendus RunII: production simple du top (qq tb) 20% (qq tb) 20% (t W+b) 25% (t W+b) 25% Vtb 12%

96 6 mars 2003Auguste BESSON96 D0 IRES-GRPHE MembresMembres Daniel Bloch (responsable) A.B. (ATER) François Charles Jean-Pierre Froberger (informatique) Walter Geist ActivitésActivités –Étiquetage du b –Identification du –Identification du –Physique du top: production simple –Supersymétrie –shifts Denis Gelé Sébastien Greder (doctorant) Anne-Catherine Le Bihan (doctorante) Abdenour Lounis Isabelle Ripp-Baudot


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