F. Richard Carré des Sciences La physique et la politique du CL 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Les Questions La question posée après LEP/SLD/TeVatron: origine des masses/EWSB 3 questions ~ : * Faut-il attendre les résultats du LHC ? * L’énergie du CL est-elle critique ? * Quels scénarios peut-on espérer et comment le CL y répond-il ? Aspects uniques du CL Avantage de runner le CL et LHC en même temps ? Faut-il aller directement à 3 TeV ? 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences LP03 F. Richard LAL/Orsay

Paramètres de la Machine Un CL e+e- opérant entre MZ to 500 GeV avec des e- polarisés (80 %) et intégrant 500 fb-1 dans les 4 premières années Devant atteindre ~ 1 TeV 500fb-1 /an Options : e+ polarisés (60%) nécessaires à GigaZ et pour exploiter la polarisation transverse e-e- ~ facile ~Le+e-/3 sgg~0.8s  e ardu polarisés croist à angle 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Vers un Détecteur idéal Les analyses sont en général limitées par les effets systématiques -> Viser un détecteur quasi parfait 3 améliorations spectaculaires/LEP-SLD: Le vertexing : c tagging (=70% >80% pureté), t tagging E/E~1/2 LEP reconstruction de 6/8 jets séparation WW/ZZ (+  ) p/p²~1/10 LEP jusqu’à to 100 mrad également: Herméticité pour les /e énergiques > 5 mrad L, Polarisation, s très précise (GigaZ) -> Activité Machine Detector Interface (MDI) 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Vers un pattern de chambre à bulles ? 5 cm Calorimétrie à haute granularité TPC lue par Cmos 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Les extensions actuelles du SM Le SM marche insolemment mais le secteur de Higgs est problématique et ce modèle n’est pas d’un très grand secours pour la DM, pour GUT, la baryogénèse etc… SUSY propose des solutions mais il existe de nombreuses variantes aux conséquences expérimentales contrastées (NMSSM, GMSB, AMSB, Fat Higgs…) ND>4 apporte des solutions à EWSB et à SSB mais la théorie est incomplète (divergences UV) et les variantes sont multiples (ADD, RS, Little Higgs, Higgsless dual de TC) avec des conséquences expérimentales très variées (Higgs lourd, pas de Higgs, UED ‘imitation de SUSY’, ZKK) -> La nouvelle physique pourrait revêtir des formes imprévues nécessitant les mesures de précision et l’excellent S/B du CL 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Quel Scénario pour EWSB? Après LEP/SLD/Tevatron: mH<250 GeV avec SM (ou MSSM) -> Le ‘dépliant publicitaire’ pour le CL Différents scénarios sont cependant à envisager: Un Higgs Standardissimo -> Mesures de Précision Un Higgs atypique (e.g. NMSSM, invisible) Un leurre (Peskin-Wells) car il y a d’autres contributions au-delà de SM Exemples: - Un Higgs lourd - Pas de Higgs -> Étude précise de WW à 1 TeV Le CL à 1 TeV peut-il faire face à ces 3 scénarios ? 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Physique MS H Spin H Branching Ratios Inclusive Higgs: Z Recoil mass gttH 7-15% mH 120-200 GeV alpha_s ZHH Top quark mass HHH~20%(10%) s 500(800)GeV GigaZ 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences … et bien plus

F. Richard Carré des Sciences Higgs Standardissimo sin²W x 106 ALR MHDirect=MHIndirect ? mt a(MZ) MZ GigaZ sin²W~10-5 avec Pe+ WWseuil MW~6MeV E à 510-5 (Z cal) + Mesures précises a(MZ) mt + Théorie sous contrôle (Loopverein) MHIndirect~5% (~50 % at LEP/SLD) (WWseuil donne MH ~10%) Sensibilité quantique >> au LEP: -> Dans un tel scénario seul le CL permet de décider de la pertinence d’un futur collisionneur as L/Lth 10-3 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences S. Jadach

F. Richard Carré des Sciences Un Higgs turbulent Au-delà de MSSM: NMSSM (motivations théoriques: stabilisation de m ) -> Forte réduction HZ CL supporte ~SM/100 Détection indépendante de l’état final Nombreux scénarios avec Higgs invisible : - h-> cc possible sans unification des masses de gauginos - cGdans GMSB - Gravitons GG, mélange Graviscalar - Majorons JJ, ADD nL nRKK…. -> CL voit 5 si BRinv=2% NMSSM/SM NMSSM/SM D.J. Miller et al. F. Boudjema et al ~ D.J. Miller et al. 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences LP03 F. Richard LAL/Orsay

F. Richard Carré des Sciences Un Higgs lourd mH incompatible avec SM/MSSM -> trouver le ‘coupable’ Un Z’ prédit dans de nombreux modèles pourrait générer cet effet Le CL à 1 TeV a une sensibilité > LHC Il mesure les couplages aux quarks et aux leptons par interférence à grand s Le modèle ‘Little Higgs’ , solution viable au pb de hiérarchie, remplit les conditions Dans UED pas de couplage Z’ ff, mais signal à GigaZ sur r Possible même avec SUSY (’Fat Higgs’) avec secteur de Higgs non perturbatif -> L’identification du ‘coupable’ + prédiction mZ’ pourrait aider le LHC dans sa stratégie 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Pas de Higgs WLWL interagit fortement avec: Production d’une résonance du type  ds e+eW+W- M < LEWSB=4v=3 TeV Sans résonance encore observable (LET) 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Resonance e+eW+W- J=1 I=1 TGC e+eW+W- and W+W- s GeV L fb-1 M 1.6TeV LET CL 0.5 300 16 3 0.8 500 38 6 1.5 200 204 5 LHC 14 100 Si les résonances sont dans J=0,2 I=0,2 ->visibles ds e+e-W+W- et  W+W- Le scénario Higgsless avec +1 dimension 1/R~TeV - Masses W/Z liées à 1/R Rôle du scalaire joué par ZL KK -> masse Z’ ~ TeV si on veut respecter l’unitarité Déviations couplage ZWW observable au CL -> Ensemble d’effets qui permettront de donner une interprétation non ambiguë 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Retour à SUSY ♥ SUSY reste la théorie légitime: - calculable sans divergences - compatible avec MP (Higgs léger) - hiérarchie des masses MPlanck - compatible avec GUT(Gravit) - lien avec la cosmologie (e.g. DM) ♠ Pas d’observation expérimentale >3s ♠ Pas de mécanisme SSB unique ♠ Problèmes FCNC CP K EDM p -> Sfermions pourraient être très lourds et visibilité réduite à LHC/CL Buts essentiels du CL après la découverte de SUSY au LHC: - origine de SSB - déterminer masses et les couplages du LSP pour la cosmologie BNL Jan 2004 m0 GeV Focus G-2 Higgs Annihilation Co-annihilation Blob M1/2 GeV 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences DM au CL Dans le ‘blob’ (B) , la précision du CL est m ~0.1 GeV, m ~0.6 GeV -> Prédiction de DMh² avec une précision ~ anisotropies CMB -> Un désaccord révélerait d’autres contributions à DM (Axions, Axinos…) Dans la région de co-annihilation le CL peut encore obtenir ces précisions si m- m> 5 GeV Dans la région focus le CL étend le domaine au-delà de LHC MicrOMEGAs Pt B ‘WMAP’ 7 % LHC ~15 % ‘Planck’ ~2 % CL ~3 % ~ H.Baer el al. Focus ~ Co-annihilation 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

F. Richard Carré des Sciences Le CL et SSB Le CL fournit des observations indépendantes (polarisation) et précises (ex. LSP) qui, combinées avec l’info LHC, permettent d’accéder au mécanisme SSB sans être (trop) modèle dépendant Leçon de LEP/SLD sur GUT Exemple de différences subtiles (boucles) attendues sur Mi à l’unification Le LHC donne M3 (gluino), dont l’erreur est réduite connaissant m par le CL -> Accés aux paramètres d’une théorie effective de cordes -1/Mi GeV-1 G. Blair et al 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Résumé: Pourquoi faut-il un CL ? Pour des mesures précises et complètes dans le cas du Higgs léger prédit par SM/MSSM Pour faire face à des scénarios rendant la détection très difficile au LHC: Higgs invisible, Higgs faiblement couplé Pour faire face à un scénario EWSB inattendu : Higgs lourd ou pas de Higgs et pour en détecter l’origine e.g. Z’ ou KK (synergie avec LHC) Avec SUSY: Pour interpréter SSB par des mesures CL+LHC Pour prédire DMh² au niveau de la précision de Planck Les infos utiles pour définir l’énergie du CL (masses A,H,t) seront lentes à extraire du LHC 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Pourquoi faut-il un CL (suite) ? En l’absence de signal au LHC ou si l’on observe un Higgs et rien d’autre, on veut pouvoir déterminer la nouvelle frontière (~LEP/SLD) pour les futures machines (ou pour un upgrade de LHC ): - Par des mesures précises sur des couplages à haute énergie (√s non critique) - Avec GigaZ pour être sensible au effets quantiques liés à la nouvelle physique (e.g. LEP/SLD et la masse du Higgs) -> Un CL allant du Z au TeV avec une excellente précision (Lum. Pol) couvre ce type de scénarios 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences

Measuring Effective Higgs Potential @ 3 TeV (J.Ellis LCWS04) Large cross section for HH pair production Accuracy in measurement of HHH coupling MH = 240 GeV 180 GeV 140 GeV 120 GeV 11% 9% ab-1 11/01/2019 F. Richard Carré des Sciences