Introduction théorique à la physique du top Michael Klasen LPSC Grenoble 11 septembre 2007.

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1 Introduction théorique à la physique du top Michael Klasen LPSC Grenoble 11 septembre 2007

2 Michael Klasen, LPSC Grenoble2 Introduction Dernier quark à être découvert (Tevatron, 1995) Consistence du MS  top = ingrédient essentiel Propriétés déterminées : Couplages aux bosons de SU(3) C x SU(2) L x U(1) Y : Triplet de couleur Partenaire d’isospin du b : T 3 t = 1/2 Q t em = T 3 t + Y t = 2/3 |e| Spin 1/2 Propriété indéterminée : m t Contraintes indirectes : Mesures de précision Mesure directe : 170.9 GeV (CDF/D0, Moriond 2007)

3 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble3 Qui a besoin du top ? Consistence du MS : Annulation des anomalies : - 0 pour VVV (Furry) - indép. de la masse Mesures du quark b :  s = 2 m b :  Q b em, m b  s = m Z :  T 3 b Mesures de précision :  = M W 2 /(M Z 2 cos 2  W ) =  WW (0)/M W 2 -  ZZ (0)/M Z 2 = 1 (arbre)  = G F N C m t 2 /(8  2  2 )  exp. = 1.00126  m t Autres observables (  i, A FB, …)  PDG 2006 0

4 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble4 Production par paire (1) Collisions pp / pp au Tevatron / LHC : Section efficace hadronique : Densités de partons Echelles de factorisation / renormalisation Section efficace partonique : Diagrammes qq + gg : + Corrections NLO : Dépendence au seuil : Resommation des logarithmes @ NLL  réduction d’inc. à ±5% _ _

5 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble5 Production par paire (2) M. Cacciari et al., JHEP 0404 :U. Bassler, Moriond 2007 :

6 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble6 Production par paire (3) LHC :  NLO+NLL ≈ 850 pb  gg /  tot = 0.9   qq /  tot = 0.1  NLO+NLL /  NLO+NLL ≈ 12% (  étude précise en cours)  m t /m t ≈ 4% (  0.5 %) ILC :  (  s = 390 GeV) ≈ 0.85 pb Environnement propre Polarisation des faiscaux possible  m t ≈ 100 MeV (  erreur théorique ?)

7 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble7 Production simple Interaction électrofaible : Présence d´un W  V tb et t Voie t (q 2 =t) Voie s (q 2 =s) Prod. assoc. (q 2 =M W 2 ) Sections efficace @ NLO : Tevatron (C = 0) LHC (  t   t, sauf assoc.) Comparable à la production tt : Diminue comme 1/M W 2, pas 1/s  important au LHC Qu´une grande masse dans l´état final Singularité collinéaire dans l´état initial : grand D0 [PRL 98, 2007] :, Unitarité : |V tb | = 0.9991-0.9994. LHC :  V tb /V tb ≈ 7% _  _

8 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble8 Production associée avec un Higgs Diagrammes de Feynman : Canal de découverte au LHC Mesure du couplage de Yukawa : y tth = m t /v (h  tt fermé) Sections efficaces @ NLO : _

9 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble9 Désintégration du top Interactions électrofaibles : SU(2) L :  courant V  A Unitarité de la matrice CKM :  Test expérimental :  Durée de vie :  t = 5 x 10 -25 s <  QCD = 3 x 10 -24 s  hadron. Canal dominant : Etiquetage du quark b Désintégration W  l, qq’ Largeur @ NLO : Hélicité du W : Corrélée avec l’impulsion des leptons chargés (CDF : 91 ± 37 ± 13 %)

10 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble10 Masse du top Canal di-leptons : BR(W  e/  + ) = 22% 5 % des événements Statistique faible Canal leptons + jets : 30 % des événements Reconstruction complète Bruit de fond faible Canal all-jets : 44 % des événements Bruit de fond QCD PDG, juillet 2006 : m t = 174.2 ± 3.3 GeV Fin de Run II :  m t stat. < 1 GeV Dominé par  m t syst. M. Wang, Moriond 2007 :

11 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble11 Importance de m t (et M W ) Corrections radiatives : Auto-énergies : Largeurs : Supersymétrie : Stabilisation de m H

12 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble12 Incertitudes théoriques (1) Définitions de m t : Expérience : Position du pic de M Wb Théorie : Pôle du propagateur à Re (  p 2 ) = Re (m pôle - i/2  ) Absence d´hadronisation  état asymptotique ? Observables : Singlets de couleur Particule intérieur = triplet de couleur Pas de pôle à la masse du quark Quark b confiné/connecté   m t   QCD Renormalons : Quark stable : Singularité dans la ré-transformation de Borel  Quark instable : Même singularité avec m R  m R - i/2  X

13 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble13 Incertitudes théoriques (2) Perspective : e + e -  tt au seuil,  m t ~ 20 MeV MS :  R =  – (1/  UV –  E + ln 4  ) (Coulomb) potential subtracted : Soft subtracted : _ __

14 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble14 Charge du top Ambiguité : Modèle Standard: + 2/3 [t = bW + ; t = bW - ] Quark éxotique : -4/3 [t = bW - ; t = bW + ] [LEP ok, si m t =270 GeV] Analyse D0 [PRL 98, 2007]: Supposer BR(t  bW) = 1 Etiquetage des 2 jets b WW  lepton + jets Identifier b lepton et b jets Distinguer b et b |e t | = 4/3 exclu @ 92% _ _ _

15 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble15 Corrélations de spin Production : Non-polarisée, mais corrélée Tevatron (q L q R  tt) : 81% spins opposés LHC (gg  tt) : 67% hélicités identiques Désintégration (  production simple) : Réferentiel top au repos Pas d´hadronisation  spin conservé Désintégration faible  spin transféré  Puissance d´analyse  a i = 1 (l,d) / -0.31 (,u) / -0.41 (b) Distribution double-différentielle  C = fraction de top quarks de spin identiques Choix de la base : Axe du faisceau : Simple, symétrique, indépendant du réferentiel Tevatron : Hors diagonale,, LHC : Hélicité du top (ou eigenvector de C) __ _

16 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble16 Sensitivité à la nouvelle physique (1) Modèles : 2 doublets de Higgs : h 0, H 0, A 0  tt; H   tb Supersymétrie : t 1,2  t  1 0  Spin 0 Dimensions supplémentaires : Excitations KK du t, Z; branes Brisure dynamique de symétrie : Condensats technicouleur GUTs : E 6  SO(10)  SU(5) ou SU(2) L x SU(2) R Signatures dans la production : Résonances dans d  /dm tt  comptage (facile) Spin, couplages modifiés  distributions (normées) Corrections quantiques  sections efficaces (difficile) Signatures dans la désintégration : BR(t  c/u +  /Z 0 )  10 -12, BR(t  c/u + g)  10 -10 ˜˜

17 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble17 Sensitivité à la nouvelle physique (2) Couplages anomales : 4 paramètres (complexes) :  s ≈ 2 m t : Vecteur dominant  s » 2 m t : Tenseur dominant, mais supprimé par PDFs Couplage gtt : Invariance de jauge  seulement tenseur  g f : d  /dp T et d  /dM tt  4m t  g /   0.03 @ 100 fb -1 h g f : Corrélations de spin (i=l) Couplage Wtb : Production par paire : asym., pol. Production simple : dépen. quadr.

18 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble18 Sensitivité à la nouvelle physique (3) Désintégrations rares du top : FCNC BR(BSM) ≈ 10 -5 … 10 -6 » BR(SM) Contraintes : Données de basse énergie Recherche directe Déviations dans  tt (Tevatron), recherche de  t (LEP2, HERA) LHC : Désintégration : t  qV avec V = , Z, g et q = u, c Bruits de fond : tt, W + jets, WW / WZ / ZZ, W +  Production simple : qq/gg  tq, qg  tg Bruits de fond : W + 2 jets, W + bb Production associée : qg   t, qg  Zt Bruits de fond : ZW

19 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble19 Résultats récents du Tevatron

20 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble20 Perspectives pour le LHC

21 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble21 Perspectives pour la matière noire Herrmann, Klasen, arXiv:0709.0043  PRL

22 11 septembre 2007Michael Klasen, LPSC Grenoble22 Résumé Mesures de précision au LEP (< 1995): Indications sur m t Découverte du top (1995): Existence, m t, |e t |, V tb Bon accord avec le MS Eléments manquants (Run II, LHC, ILC): Couleur (trivial ?), isospin, spin (corrélations)  m t ~ 20 MeV Au-delà du MS : y t  1  m 2 < 0 dans SUSY, SU(3) TC, brane particulière ? Découverte de l´origine d´EWSB Grand mélange t 1,2  Co-annihilations de la matière noire ˜