LPSC - GrenobleJulien MOREL 1 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Recherche de nouveaux bosons de jauge provenant de dimensions supplémentaires avec le détecteur ATLAS Julien MOREL ATLAS Exotic group LPSC - Grenoble Journées Jeunes Chercheurs – La Rochelle

LPSC - GrenobleJulien MOREL 2 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusionPlan Un peu de théorie … Un peu dexpérience … Un peu danalyse … Un peu de résultats … Un peu de conclusion … et de perspectives !

LPSC - GrenobleJulien MOREL 3 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Le modèle standard en théorie … Théorie de jauge : Théorie de jauge : SU(3) C SU(2) L U(1) Y Forte QCD 8g Faible et électromagnetique Théorie électrofaible W +,W -,Z, La théorie électrofaible Glashow, Weinberg et Salam proposent une théorie de jauge SU(2) L U(1) Y pour décrire à la fois les forces faible et EM. Cette unification est réalisée grâce à 3 bosons : W ±, Z, Le mécanisme de Higgs Higgs explique la masse des particules en introduisant un nouveau champ dans la théorie. Il en résulte lexistence dun boson de Higgs. NOBEL en 79 Dans les années 1965 :

LPSC - GrenobleJulien MOREL 4 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Le modèle standard en pratique… Très bon accord théorie-expérience (masse des W/Z, masse du top, …) Instabilité de la masse du higgs (problème de hiérarchie) Hiérarchie de masse des fermions (M e± =511 keV vs M top =175 GeV) Quantification de la charge électrique Ninclut pas la gravitation … Découverte des bosons W +,W - et Z Ou? CERN (SPS) Quand ? 1982 Découverte du quark top Ou ? TeVatron Quand ? 1995 Chainon manquant : le boson de Higgs ?? Ou ? CERN (LHC) ?? ?? Quand ? 2008 ?? NOBEL en 84 ?? NOBEL en 2010 ?? Evénement Z e + e - à UA2 sur le SPS au CERN à lautomne 1982

LPSC - GrenobleJulien MOREL 5 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Le LHC devra découvrir la physique au delà du modèle standard La Super Symétrie Introduction dune nouvelle symétrie Fermions-Bosons Solution au problème de la hiérarchie (Annulation des divergences) Les théories de grande unification Description des forces fondamentales par la même théorie de jauge Les théories à dimensions supplémentaires Introduction de dimensions supplémentaires spatiales Solution au problème de la hiérarchie (en abaissant léchelle de Planck) Principalement deux types de modèles (ADD, RS)… Plusieurs extensions possibles … Parmi elles : Dans la suite de cet exposé nous nous intéresserons principalement à un Z provenant dun modèle à dimensions supplémentaires de type RS Z Z

LPSC - GrenobleJulien MOREL 6 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum t u Brane de Planck Brane du TeV (notre espace 4D) Modèle originalde RS Modèle original de RS [ L.Randall, R.Sundrum, Phys. Rev. Lett (1999) ] 1 dimension spatiale supplémentaire compacte (accessible au graviton) Espace à 5D « bulk » avec une géométrie déformée, bordé par deux « branes » à 4D Permet une réduction de léchelle de Planck (cf facteur de déformation) Modèle de RS avec matière dans le bulk Dans ce modèle Les bosons de jauge et les fermions se propagent dans le bulk (en plus du graviton) Les fermions possèdent une localisation particulière selon la 5 ème D Il fournit Une nouvelle interprétation de la hiérarchie de masse des fermions Des candidats pour la matière noire (excitation de KK des particules) [ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, hep-ph/ (2006)]

LPSC - GrenobleJulien MOREL 7 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum t u Métrique à 5D : Masse de Planck : Facteur de déformation Dimension supplémentaire compacte (finie) Les excitations de Kaluza-Klein Etats quantiques supplémentaires (discrets) Etat fondamental = particule MS Etats excités = excitations de KK Visibles comme des nouvelles particules dans notre espace 4D On sintérresse à la 1 ère excitation KK du Z/ = Z RS Le Z se couple aux mêmes particules que le Z/ : les 3 processus /Z/Z vont interférer

LPSC - GrenobleJulien MOREL 8 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Signature expérimentale Dans un collisionneur hadronique Décroissance hadronique : rapport signal / bruit très faible Décroissance leptonique : Faible bruit physique (processus rares) Processus Drell-Yan Canal leptonique privilégié Expérimentalement, on sintéresse au spectre de masse invariante des deux leptons Processus DY Z sur couche de masse Le Z est visible sous la forme dune résonance 91.2 GeV (masse du Z) à 91.2 GeV (masse du Z) 2.5 GeV (largeur du Z) de largeur 2.5 GeV (largeur du Z) Un Z serait visible sous la forme dune nouvelle résonance Z hypothétique

LPSC - GrenobleJulien MOREL 9 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Signature expérimentale Les expériences du TeVatron ont déjà contraint lexistence de Z Le TeVatron pourra sonder un Z jusquà une masse de lordre de 1TeV en recherche directe Limites actuelles sur la masse des Z Z provenant de GUT M Z 800 GeV Recherche direct au TeVatron Z provenant de Dim. Supp. M Z 3 TeV Mesures de précision au LEP Mesures Théorie

LPSC - GrenobleJulien MOREL 10 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Et avec le détecteur ATLAS … ? Grenoble à participé à la construction du EM Cal. Très bonne résolution sur lénergie des électrons ( 1% à 500 GeV) La calorimétrie Bon calorimètre électromagnétique Canal leptonique privilégié A Grenoble, on sintéresse au processus pp Z e + e - + =

LPSC - GrenobleJulien MOREL 11 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Comment identifier un candidat Z dans le détecteur ? Critères didentification nécessaires Au moins deux candidats électrons dans la partie centrale du calorimétre | |< 2.5 Ces deux candidats sont identifiés comme électrons Ces deux électrons ont une charge opposée (électron + positron) Cette paire électron/positron est dos à dos dans le plan transverse On reconstruit un événement sur deux 100% Bonne résolution sur la masse du Z

LPSC - GrenobleJulien MOREL 12 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Comment savoir sil existe un Z RS ? Simulation Processus DY (Z/ du modèle standard sans Z RS ) Processus avec Z ( /Z/Z RS ) M Z = 3 TeV Si lon considère un Z RS, il apparait deux effets : Une nouvelle résonnance qui définie la masse et la largeur du Z (excès dévénements) Pour calculer le potentiel de découverte dun Z RS avec ATLAS, on procède à un comptage dévènements. Une interférence avec le processus DY du MS Dans le cas dun Z RS linterférence est destructive. (défaut dévénements) Il faut veiller à ce que ces deux effets ne se compensent pas

LPSC - GrenobleJulien MOREL 13 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Potentiel de découverte Si le Z est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours linterférence destructive Section efficace intégrée au delà de M ll >500 GeV Effet du à la résonance Effet du à linterférence destructive M Z en TeV

LPSC - GrenobleJulien MOREL 14 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Potentiel de découverte Pour calculer le potentiel de decouverte dun tel Z à ATLAS, il nous faut : Lefficacite du detecteur ) La section efficace ( Z ) La section efficace du DY ( DY ) Une convention pour la signification statistique (S 12 ) Nous utilisons la convention S 12 de hep-ph/ (réaliste): On demande |S 12 | > 5 pour une découverte

LPSC - GrenobleJulien MOREL 15 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Potentiel de découverte Lors du comptage dévénement, il ne faut pas que linterférence masque la résonance. On calcule S 12 dans deux régions du spectre de masse : Dans la région de la résonance Au delà de M 1 Dans la région de linterférence Entre 500 Gev et M 1 Défaut dévénement Excès dévénements Le paramètre M1 représente les limites dintégration M 1 est choisi indépendament du modèle : M 1 représente la fin du processus DY. On garde 15 événements au delà pour calculer S 12 avec un nombre de bruit de fond différent de zéro M1M1 Processus DY Processus avec Z Z/ /Z RS

LPSC - GrenobleJulien MOREL 16 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Potentiel de découverte dun Z de RS avec matière dans le bulk Lumi = 10 fb -1 M 1 = 1070 GeV Lumi = 100 fb -1 M 1 = 1730 GeV Lumi = 300 fb -1 M 1 = 2320 GeV ATLAS peut découvrir un tel Z RS jusquà 4,5 TeV avec 100 fb-1

LPSC - GrenobleJulien MOREL 17 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Conclusions et perspectives On a étudié le potentiel de découverte dATLAS pour différents Z Théories de dimensions supplémentaires (ADD, RS) Théories de grande unification Utilisation de différentes observables (Masse invariante, asymétrie avant-arrière) Il va falloir penser à étudier le détecteur … résolution en énergie (en cours) linéarité du calorimètre (en cours) les triggers … Sil existe un Z en deçà de 5 TeV, on devrait sen rendre compte...

LPSC - GrenobleJulien MOREL 18 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Data set and Athena version We use : Athena version Athena version : Process Process : Z e + e - at 1TeV (Mll > 500 GeV) Data Set Data Set : csc Zprime_ee_pythia_chi1000.recon.AOD.v Number of events Number of events : Z Cross section Cross section = fb Signal visible with 1 fb -1

LPSC - GrenobleJulien MOREL 19 Recherche dun avec ATLAS ThéorieExpérienceAnalyseRésultatsConclusion Et le Large Hadron Collider … The installation of the LHC's magnets is progressing rapidly LHC will start in 2007 with 450 GeV per beam 7 TeV per beam Instantaneous luminosity = cm -2 s -1 (low lumi) = cm -2 s -1 (high lumi) 2008 : The beam pipe closure date will be August 2007