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

Prospective DAPNIA/IN2P3 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 mhmax 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? Prospective DAPNIA/IN2P3

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. Prospective DAPNIA/IN2P3

Pistes pour la nouvelle physique Formalisme général basé sur S, T définis pour contenir tous les effets de la nouvelle physique mH=100 GeV, mt=175 GeV, et les relations électrofaibles parfaitement vérifiées:  ST0 (68% CL) Données mt 100 mH Contour autorisé pour S,T  Le « test électrofaible » 1000 Boson de Higgs lourd (voire absent) OK, de nouvelles particules ramènent S,T dans les limites autorisées (et préservent l’unitarité) SSI Prospective DAPNIA/IN2P3

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

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! Prospective DAPNIA/IN2P3

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  ZKK, WKK Modèles sans Higgs : ces excitations, légères, suffisent à assurer l’unitarité … Limites récentes : MZ’ > ~700 GeV, MW’ > ~800 GeV [SSM] (CDF/D0, direct) MZ’ > ~400-900 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) Prospective DAPNIA/IN2P3

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

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 MZ’ ILC mesure gfL,R/MZ’ (en dessous du seuil). Suffit pour distinguer les modèles jusqu’à ~5 TeV. Excellente complémentarité Prospective DAPNIA/IN2P3

Z’ : un cas intermédiaire Jusqu’à MZ’ ~ 2 TeV, ILC peut contraindre sa masse en fonctionnant à plusieurs énergies. Par exemple (ancien), pour L = 70+100+150 pb-1 à s = 500,750,1000 GeV : Avec MZ’ donné par LHC Prospective DAPNIA/IN2P3

Prospective DAPNIA/IN2P3 Nouveaux fermions Extension simple du Modèle Standard (car pourquoi 3 générations?) Les groupes de grande unification prédisent le plus souvent des fermions supplémentaires (E6, 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 : mE>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  nW, ou E  l Z, jusqu’à la limite cinématique à ILC Neutrinos lourds : ILC peut voir e+e-  NNg jusqu’à mN~150 GeV, ou N  lW jusqu’à la limite cinématique Quarks de 4e génération : U  Wb, D  Wt jusqu’à mU,D~700 GeV au LHC. Détectables aussi par l’amplification du couplage gg  H! Prospective DAPNIA/IN2P3

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 lPlanck La gravitation peut devenir comparable aux forces électrofaibles vers le TeV, voire induire la BSE  Phénoménologie propre (gravitons, excitations KK au TeV) Prospective DAPNIA/IN2P3

Dimensions supplémentaires Modèle Arkani-Dimopoulos-Dvali La gravitation est diluée dans n dimensions supplémentaires  MPlanck « paraît » loin à 4D, mais cache une échelle fondamentale MD plus basse. MD ~O(TeV) si Rc ~10-9 à 10-15 m L’échange virtuel d’une tour de gravitons mime une interaction effective à 4 corps Ci-contre, un exemple de qq,gg  SG  gg LHC, 100 fb-1 Prospective DAPNIA/IN2P3

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. MG = 1.5 TeV Prospective DAPNIA/IN2P3

Diffusion de bosons vecteurs Cadre général : le lagrangien chiral L = v2/4 <DmUDmU+> + a1< DmUDmU+>2 + a2 < DmUDnU+>2 MS : a1 = 0, a2 = v2/8mH2 Technicouleur : a1 = NTC/96p2, a2 = -2a1 Cas général : a1 et a2 libres, et unitarisation ad hoc. ATLAS à LHC LHC WLWL  WLWL a1 = 0 WLZL  WLZL a2 = 0.003 Prospective DAPNIA/IN2P3

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

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 a2  -2a1  on tombe dans le schéma décrit ci-dessus. Une mesure, aussi précise soit elle, de ds/dMWW, ne permet pas de remonter à a1 et a2 à cause des ambiguités dans l’unitarisation. Que faire? « Il ne faut pas regarder plus haut, mais mieux regarder plus bas » (M.Chanowitz) Prospective DAPNIA/IN2P3

Conclusions : Sommes-nous prêts quoi qu’il arrive? Une physique plus riche aux environs du TeV permet de relâcher les contraintes électrofaibles sur mH. 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 MZ’ , 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. Prospective DAPNIA/IN2P3

Prospective DAPNIA/IN2P3 Back-up Prospective DAPNIA/IN2P3

Prospective DAPNIA/IN2P3 S,T,U : une définition Prospective DAPNIA/IN2P3

Dimensions supplémentaires : Modèle ADD Prospective DAPNIA/IN2P3

Dimensions supplémentaires : Modèle RS Prospective DAPNIA/IN2P3