Recherche de modèles exotiques au LHC

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1 Recherche de modèles exotiques au LHC
Fabienne Ledroit (LPSC-Grenoble) Ecole Doctorale, Orsay, 30 mars 2007

2 Plan Introduction : quels modèles exotiques ? Exemples d’analyses
Résumé

3 Avertissement Sujet très vaste, aucune prétention à l’exhaustivité
(modèles, paramètres, canaux,…) 99% biaisé ATLAS vs CMS (rien sur LHCb) Résultats TeVatron passés sous silence Possibilités de découverte, rien sur l’établissement du modèle observé Réferences : (pour l’instant public)

4 Quels modèles Pourquoi 3 générations ? Pourquoi tant de paramètres ?
groupe de symétrie + grand ? GUT ? Représentation des fermions dans groupes plus grands Symétrie de charge lepton-quark Unification des couplages de jauge Nveaux fermions lourds + bosons de jauge + scalaires, leptoquarks… “compositeness” (préons,…)? Les particules fondamentales se désintègrent Pourquoi des interactions faibles gauches ? modèle symétrique Gauche/Droite (“LR”) ? Dérive d’une symétrie + grande, supersting GUT (E6) ?  neutrinos de Majorana massifs, nL légers

5 EWSB: Higgs pas (encore ?) découvert
supersymétrie…? (pas assez exotique !!!) technicouleur ? brisure de symétrie forte Nveaux bosons (techni-pion), nvelles résonances (techni-rho) petit Higgs ? Nveaux fermions lourds, bosons de jauge, scalaires Problèmes de hiérarchie Supersymétrie ? dimensions supplémentaires ? Quid de la gravité, de la cosmologie ? -supersymétrie ? -dimensions supplémentaires ? -monopoles magnétiques ? … Si nouvelle échelle d’énergie, elle est ~ TeV  LHC = LA machine pour découvrire la nouvelle physique

6 Dimensions supplémentaires (DS)
Echelle de masse MD = MPl(4+n) = échelle gravité dans bulk Si √s < MD: (1) Grandes dimensions suppl. (ADD) n DS plates et aussi grandes que qq mm ; n ≥ 2 particules MS confinées brane 3D ; bulk: seult accessible à gravité  production directe de graviton de KK  effet du graviton KK virtuel (2) Dimensions suppl de taille TeV-1 si DS petite R<= TeV-1 champs MS peuvent se propager bulk  excitations de KK des bosons de jauges “Universal Extra Dimensions” (UED) (3) Randall Sundrum (RS1 – 2 branes) Petites DS spatiales ; espace du bulk courbé  resonance graviton étroite Taille des Dim Suppl.

7 Symétries étendues, GUT “Compositeness” Petit Higgs
Si √s > MD: physique TransPlanckienne Si MD ~ mEW, on pourrait observer la production et l’évaporation de trous noirs dans des collisions de particules élémentaires Exemples d’analyses Symétries étendues, GUT “Compositeness” Petit Higgs Dimensions supplémentaires

8 Symétries étendues, GUT nouveaux fermions leptons chargés lourds
pp  g/Z/Z’  L+L-, L±  Zl± Paramètres : m(L), m(Z’), BR(L  lZ) Bruits de fond : tt, VV’+jets Alexa 03 300 fb-1 30 fb-1

9 neutrinos lourds modèle LR
SU(2)LxSU(2)RxU(1)B-L  SU(2)LxU(1)Y Fermions droits en doublets  N=nR Majorana lourd pp  WR  ln,lN N lW pp  ZR  ll,NN Paramètres : m(VR), m(N), k=gR/gL Bruits de fond : tt, VV’+jets m(Z’)= 3 TeV M(N)= 1 TeV Ferrari 00 m(N) m(Z’) accessible quarks lourds (E6) pp  D D ; D dZ, uW Paramètres : m(D), angles de mélange quarks Lumi intégrée Mehdiyev 05

10 nouveaux bosons de jauges
au moins un Z’, souvent aussi W’ -- si SU(2) Production : “Drell Yan” Désintégration : Z’  l+l-, qq W’ ln, qq’ Paramètres : angles de mélange entre les bosons et/ou rapport des cstes de couplage Bruit de fond : Drell Yan standard (l) M(Z’)= 1.5 TeV M(W’)= 1 TeV MT = masse invariant calculée en utilisant les impulsions transverses

11 q nouveaux bosons scalaires et/ou vecteur : Lepto-Quarks
Groupes SU(4), SU(5), SO(10) ; squarks (RpV); … LQ lq nq 2 types états finals : 2l + jets, l + jets + ET manquante Paramètres : m(LQ), l2eff= l2L (lq)+l2R(lq)+l2L(nq) 300 fb-1 Belyaev 05 l2eff q HT = somme scalaire des pT nouveau secteur de Higgs Higgs doublement chargé !

12 sous structure des quarks ?
“Compositeness” QCD + interaction de contact à 4 fermions Paramètres : échelle de compositeness L, (signe d’interférence) fermions excités quarks q*  qg, qg, qZ, q’W leptons l*  lg, lZ États finals llg(g), llj(j) sous structure des quarks ? Section efficace production jets inclusive L= 15 TeV 3 TeV 5 TeV 20 TeV QCD 10 TeV Difficultés: définition jets, échelle d’énergie, section efficace QCD, PDF, …

13 Modèle effectif traitant le problème de hiérarchie
Petit Higgs (“plus petit Higgs”) Modèle effectif traitant le problème de hiérarchie symétrie étendue, brisée à grande échelle introduit top lourd T (~1 TeV), Higgs lourds f (~10 TeV), bosons de jauge lourds ZH,WH, AH (~1 TeV) Les divergences sont annulées au premier ordre Paramètres : échelle f, l1/l2 (Yukawa top), v’ (couplage Higgs), q, q’ (angles jauge) Secteur de jauge [SU(2)U(1)] Higgs standard q ZH,WH Découverte Test modèle ZH  l+l-, qq ZH  Zh, W+W- WH  l , qq’ WH W±h, W±Z

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15 Signal à 5s pour M(T) < 2000 GeV
T Wb T Zt (25%), Wb (50%) ht (25%) Signal à 5s pour M(T) < 2000 GeV Azuelos 04 W f++ W+ q F++W+W+ , W  l n Signal impossible à détecter pour des paramètres autorisés…

16 Dimensions supplémentaires
Théories de cordes : 10 (ou 11) dimensions ! Seule approche aujourd’hui de la gravité quantique Gravitation vérifiée expérimentalement jusqu’à ~0.2 mm Dimensions supplémentaires compactifiées sur des cercles rayon R G’ ~ Rn GNewton MPl2 ~ Rn MD2+n + Champ du graviton périodique dans les DS Tours d’états de Kaluza Klein (KK) : M(k)~k/R En chiffres : MD = 1 TeV, n = 2  R = 0.08 mm  R-1 = eV échelle LHC n = 4  R = 1600 fm  R-1= 120 keV Continuum d’états du graviton Interactions de jauge vérifiées jusqu’à ~1 fm gravité peut se propager dans le ‘bulk’ (DS), particules MS localisées sur la “brane” 3D  Modèle ADD / grandes DS

17 ADD : production directe de graviton de KK
100 fb-1 Paramètres : MD , n Bruit de Fond : jet + Znn, jet +W ln (l perdu) Vacavant 01

18 ADD : échange de graviton KK virtuel
Paramètres : la somme sur les états du G diverge, mais coupure à MS (=MD)  Excès dans les distributions en masse invariante des dileptons, diphotons, etc GKK En combinant ll et gg, pour 100 fb-1 on peut atteindre MS = 7.4 TeV Kabachenko 01

19 TeV-1 : excitations de KK des bosons de jauge (ZKK,WKK)
Si maintenant on suppose des DS petites : ħc x 1 TeV-1 = fm << fm l’accès des particules MS, en particulier bosons de jauge, au bulk n’est plus exclu Excitations de KK des bosons de jauge : (m(k))2 = (m(0))2 + k2 MC2 ≈ k2 MC  excitations beaucoup plus espacées !! Limites indirectes (contraintes EW) venant des couplages des bosons de jauge R-1 ≥ 3.3 – 6.8 TeV TeV-1 : excitations de KK des bosons de jauge (ZKK,WKK) Production résonante ZKK  l+l- WKK  ln Observable jusqu’à MC~ 6 TeV Aussi gKK  tt, bb Excès dans la distribution en pT des di-jets due aux excitations de gluon Observable jusqu’à MC ~ 15 TeV 4TeV Azuelos 04 Balasz 02

20 Dimensions supplémentaires universelles (UED)
On peut aussi mettre tous les champs du MS dans le bulk conservation de l’impulsion dans les ED conservation du nombre de KK à 4D production en paire des états de KK “Lightest Kaluza Klein Particle” (LKP): * !!! Cosmologie !!! Solution = désintégrations médiées par la gravité : *  G Co-existence de grandes DS avec une petite DS possible : “brane épaisse” dans un bulk de n grandes DS (“compactification asymétrique”) q°/● = q(1) droit/gauche ~ lourds Signal = 2 g + X + énergie manquante Etude en cours…

21 ( ) Randall Sundrum : résonance étroite du graviton
Autre grande famille de modèles : Randall Sundrum (RS) 1 DS “gauchie” ou “voilée” (“warped”) car métrique non factorisable espace à 5D borné par 2 branes: MS et Planck 2 paramètres : r. courbure k-1, distance entre branes rc~ 1/Mpl Même histoire qu’avec les DS plates : au début, seul le graviton de propage dans la DS puis apparaissent modèles où tous champs MS sont dans le bulk Randall Sundrum : résonance étroite du graviton Signaux : c= k/MPl Aussi Radion : champ scalaire f stabilisant la distance des branes largeur étroite, f hh Aussi bKK léger, état final à 4 W ( )

22 Trous noirs en DS dans les collisionneurs
Objets confinés dans un rayon R<RS Si paramètre impact < RS, production trous noirs ! Section efficace ~ p RS Si MD ~ TeV, section efficace ~ 100 pb !!! Désintégration : “démocratique” production de toutes particules, incl. Higgs usine à Trous noirs = usine à Higgs H  bb CMS Attention : approximations contestées incertitudes théoriques ++ aussi dans la désintégration mH=130GeV W/Z M(bb)

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24 Résumé Signatures : masses invariantes, énergie manquante (cf SUSY), spectres en pT Etat final ll, gg Z’, ZKK, ZH (petit Higgs), G (résonant+virtuel), H++ Etat final ll + jets L±, N, D (E6), Lepto-Quarks, compositeness, “LFV” générique, technicouleur Etat final l (ou g ou jet) + ETmiss W’, production directe G Très grandes mutiplicités (l,g,jets,…) + sphéricité Trous noirs

25 Dans tous les cas : objets lourds
taux de production faibles très grandes énergies ou pT calibration des électrons, photons, jets identification des particules : jets de b, électrons, photons reconstruction des paires de jets pas de processus de référence… Les études réalistes viennent juste de commencer !

26 Générateurs d’événements MC (liste non exhaustive)
PYTHIA :Z’, W’, symétrie Gauche/Droite, compositeness, technicouleur, leptoquarks, graviton, (leptons lourds) PYTHIA-UED HERWIG : production résonante de graviton, (leptons lourds) ISAJET : technicouleur, production directe de graviton CHARYBDIS : trous noirs CATFISH : trous noirs

27 Conclusion: les nombreux visages de la nouvelle physique…
e/m n j b t g V(Z, W) h Z’ / ZKK / G* H++ W’ LQ l* L, N LQ Grandes DS n* G DS Z’ / W’ / ZKK WKK /gKK /G* q* composit. Grandes DS q* Z’ b* techni-p quark T Z’ / G* top gluon t* quark T G* techni-W hyperch. axion V technicouleur Z’ / G* H++ /coupl.anorm. VH Z’/ radion