1 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Julien MOREL sous la direction de Fabienne LEDROIT 7 novembre 2008 Recherche d'une nouvelle résonance.

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1 1 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Julien MOREL sous la direction de Fabienne LEDROIT 7 novembre 2008 Recherche d'une nouvelle résonance Z' dans le canal diélectron avec le détecteur ATLAS

2 2 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Plan de l’exposé I - Préliminaires : du Z aux Z’ Théorie et découverte du boson Z Motivations théoriques pour de nouvelles résonances Contraintes actuelles II - Phénoménologie des Z’ au LHC La production de Z’ au LHC La reconstruction avec le détecteur ATLAS III - Études des Z’ avec ATLAS Potentiel de découverte des Z’ Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales Étude du spectre en rapidité

3 3 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC 1960 - Les bosons de jauge lourds dans le MS Structure de l’interaction faible 3 bosons de jauge notés W 1,W 2 et W 3 – couplage g Potentiel de Higgs 2 paramètres :  et Dans le vide du champ de Higgs Structure de l’électrodynamique quantique 1 boson de jauge noté B – couplage g’ Électrodynamique quantique non brisée Photon sans masse – couplage e Bosons W +, W - et Z massifs – couplage G F Brisure spontanée de symétrie Couplages entre W, B et le champ de Higgs 

4 4 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC 1984 – L’observation du Z aux expériences UA DétecteursCollisionneurProcessus

5 5 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC 1985 - Théorie de grande unification E 6 g, g’ et g S prennent des valeurs similaires. Pour E  10 14 GeV Les groupes SU(3) C, SU(2) L et U(1) Y du MS proviennent d’un même groupe plus grand ? Non observés  supposés très lourds. Ils n’affectent pas la largeur de désintégration du Z’. Les nouveaux bosons du groupe E 6 … … mais aussi de nouveaux fermions Au moins un état propre de masse à l’échelle du TeV : 2 groupes U(1) supplémentaires

6 6 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC De 1990 à 2000 – Contraintes indirectes électrofaibles Exemple de limites obtenues avec le paramètre  Limites obtenues avec les mesures de précisions EW à LEP Modèle ad-hoc identique au Z mais en plus lourd Angle de mélange Z/Z’ (analogue à  w du MS) très petit Mesure de 

7 7 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC 2008 - Limites sur la recherche directe CDF Run II – Canal électronique – L=2.5 fb -1 Pas d’observation directe jusqu’à 700 GeV Analyse de section efficace

8 8 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ GWSUAGUTLEPTeVatronLHC 2009 - L’ère LHC II - Phénoménologie des Z’ au LHC La production de Z’ au LHC Le collisionneur LHC du CERN Le processus pp  Z’  l + l - +X à 14 TeV Le spectre de masse invariante Les corrections d’ordre supérieur La reconstruction avec le détecteur ATLAS Vue d’ensemble du détecteur ATLAS Les sous-détecteurs utilisés : détecteur interne et calorimètre EM Reconstruction et identification des électrons Sélection des Z’

9 9 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le collisionneur LHC du CERN Le complexe d’accélérateurs du CERN Les caractéristiques machine Duoplasmatron + cavité RF  Faisceau continu de 750 keV Source de protons Collisionneur proton-proton Circonférence :27 km Champ magnétique dipolaire :8.33 Tesla Energie centre de masse : 14 TeV Nombre de protons par paquet :10 11 Nombre de paquets :~2000 Luminosité instantanée basse :10 33 cm -2 s -1 (10 fb -1 par an) haute :10 34 cm -2 s -1 (100 fb -1 par an) Fréquence de croisement : 40 MHz (25 ns)  Nécessité d’un système de déclenchement efficace

10 10 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le collisionneur LHC du CERN Le domaine cinématiquePlanning du LHC 1980  Début conception de l’accélérateur 1994  Acceptation du projet 1998  Début des travaux 10 septembre 2008  1 er faisceau 19 septembre 2008  1 ère panne … Printemps 2009  1 ères collisions ? 20??  première découverte ? SUSY ? Higgs ? Trous noirs ? Z’ de GUT ? Z’ de Dim. Supp. ? … Mais probablement autre chose ou un mélange de tout cela …

11 11 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le processus pp  Z’  l + l - +X à 14 TeV Pic du Z’ Processus Drell-Yan Interférence  /Z’ et Z/Z’ Processus partonique Contributions dominantes

12 12 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le spectre de masse invariante Corrections d’ordres supérieurs Masse invariante des deux leptons de l’état final Masse invariante des deux leptons de l’état final Zone d’interférence  / Z / Z’ Contribution du Z’

13 13 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Resommatio n +6% -3% Les corrections QCD d’ordre supérieur Corrections au vertex Emission de particules réelles Calculs théoriques : Ordre fixe + resommation Approche MC : Ordre fixe (MC@NLO) + Parton shower (Herwig) Facteurs K PDF  5% Incertitudes théoriques NLO + Resommation   10% Variation d’échelle

14 14 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ II - Phénoménologie des Z’ au LHC La production de Z’ au LHC Le collisionneur LHC du CERN Le processus pp  Z’  l + l - +X à 14 TeV Le spectre de masse invariante Les corrections d’ordre supérieur La reconstruction avec le détecteur ATLAS Vue d’ensemble du détecteur ATLAS Les sous-détecteurs utilisés : détecteur interne et calorimètre EM Reconstruction et identification des électrons Sélection des Z’

15 15 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Vue d’ensemble du détecteur ATLAS Détecteur interne Trajectoires des particules chargées Solénoïde 2 Tesla Calorimètre argon liquide Énergie des particules électromagnétiques et hadroniques Calorimètre à tuiles scintillantes Énergie des jets hadroniques Chambres à muons Impulsion des muons Toroïde 4 Tesla

16 16 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le détecteur interne 2 2 1 3 3 2 1 3 Mesure des traces des particules chargées Mesure précise des angles pour la reconstruction de la masse invariante Détecteur à pixels Détecteur à micropistes de silicium Détecteur à rayonnement de transition Utilité du détecteur interne pour Z’  e + e - Couverture |  | <2.5

17 17 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Le calorimètre électromagnétique 2 1 2 1 Identification des électrons Mesure précise de l’énergie des électrons Partie centrale |  |<1.52 Partie bouchon |  |<3.2 Utilité du calorimètre EM pour Z’  e + e - 1 2 Cellules du calorimètre Trois compartiments + PS

18 18 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Reconstruction et identification des électrons Amas de cellules + Trace associée  Candidats électrons Critères d’identification des électrons Sélection Loose :  de l’amas <2.5 Fuites Hadronique Forme de la gerbe dans le compartiment 2 Sélection Medium : Loose +  de la trace <2.5 Paramètre d’impact < 0.1cm Forme de la gerbe dans le compartiment 1 Sélection Tight: Medium + Association de trace E/p Critères sur le rayonnement de transition

19 19 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Reconstruction et identification des électrons Critères de sélection des électrons Le critère Tight ne convient pas pour des électrons de haut p T E  500 GeV N.B : La résolution ne dépend ni de la sélection ni de l’énergie. 21% des électrons 4% des électrons 75% des électrons Résolution en énergie pour le critère Loose

20 20 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Sélection des Z’ Efficacité de sélection d’un Z’ χ de 1 TeV Efficacité totale = Géométrique  Sélection  45% à 1 TeV Reconstruction de la masse invariante Résolution sur la masse  1% Très bonne linéarité Critères de sélection :

21 21 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Rejet du bruit de fond La mauvaise identification des photons et des jets induit de grandes sources de bruit de fond Bruit de fond avant sélectionAprès sélection Le Drell-Yan est la principale source de bruit de fond |η|<2.5 p T >65 GeV

22 22 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ III - Études des Z’ avec ATLAS Potentiel de découverte des Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Analyse statistique Potentiel de découverte des Z’ « usuels » Étude indépendante du modèle théorique Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’ Estimation de l’effet “Look Elsewhere” Recherche d’un Z’ Étude du spectre en rapidité Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité Analyse sur des pseudo-expériences

23 23 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Principe de l’analyse Paramétrisation plus rapide + analyse statistique FFT  quelques secondes Analyse basée sur des simulations Test de nombreuses hypothèses : Simulation complète + analyse statistique par tirage de pseudo-expériences  plusieurs jours de calcul Au niveau reconstruit Processus étudié : pp   /Z/Z’  e + e -

24 24 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Factorisation des PDF 4 paramètres phénoménologiques M Z’,  Z’, A Peak et A Interf Théoriquement  Z’, A Peak et A interf sont calculables à partir de M Z’, des couplages du Z’ et de P qq 1 2 3 1 2 3 Contribution du DY sans le pic du Z Contribution de la résonance du Z’ Interférence entre le Z’ et les bosons  /Z

25 25 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau génération approche “théorique” En variant  Z’ En variant M Z’ En variant A interf En variant A Peak approche “phénoménologique”  Z’, A Peak et A interf calculés à partir des couplages pour les Z’ usuels à 2 TeV

26 26 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Paramétrisation + Facteurs K Spectre au niveau reconstruit ATLAS full sim Paramétrisation du spectre de masse invariante au niveau reconstruit

27 27 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Au niveau généré Comparaison avec NLO - NLL Accord < 4% Au niveau reconstruit Comparaison avec simulation complète Accord ~10% < Incertitudes théoriques.

28 28 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse statistique Estimation du potentiel de découverte Mise en place d’une méthode de recherche dans les données Hypothèse 1  / Z / Z’ Signal + Bruit de fond Hypothèse 0 Modèle Standard Bruit de fond seul Méthode statistique de comparaison de spectres Comment découvrir / rechercher un Z’ ? Paramétrisation

29 29 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse statistique Différentes méthodes statistiques Efficace sur tout le spectre  Pas d’ajustement de fenêtre  On conserve toute l’information Intéressant pour effectuer une recherche 5  avec 1 événement ! Comptage d’événements : Comparaison des spectres :

30 30 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse statistique Comparaison de deux spectres Hypothèse bruit de fond Hypothèse signal Quantité discriminante : rapport des vraisemblances dans l’hypothèse signal dans l’hypothèse bruit  va permettre une séparation des deux hypothèses Fonctions de vraisemblance :

31 31 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse statistique Hypothèse bruit de fond Hypothèse signal Comparaison de deux spectres Choix de la significance statistique Significance CL s « fréquentiste modifiée » : Utilisation de l’expérience médiane comme expérience la plus probable pour estimer le potentiel de découverte.

32 32 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Potentiel de découverte des Z’ « usuels » 1 fb -1   2- 2.5 TeV 10 fb -1  > 3 TeV Utilisation de l’ approche “théorique”   L / L   20 % Forme : Normalisation :

33 33 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Étude indépendante du modèle théorique Renseigne sur l’ordre de grandeur du potentiel de découverte de “tous les Z’ ” Luminosité intégrée nécessaire pour une découverte à 5  Utilisation de l’ approche “phénoménologique” En fixant A Peak et A interf  Balayage de l’espace M Z’,  Z’ A peak fixé à 300 (  400 pour les Z’ usuels) A interf fixé à 0 M Z’ balayée de 1 TeV à 3.5 TeV par pas de 100 GeV Γ Z’ /M Z’ balayé de 0.2% à 10% par pas de 0.2% Accessible avec 1 fb -1

34 34 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ III - Études des Z’ avec ATLAS Potentiel de découverte des Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Analyse statistique Potentiel de découverte des Z’ « usuels » Étude indépendante du modèle théorique Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’ Estimation de l’effet “Look Elsewhere” Recherche d’un Z’ Étude du spectre en rapidité Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité Analyse sur des pseudo-expériences

35 35 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’ Comparaison des données à différentes hypothèses Étude Monte-Carlo Pour préparer l’arrivée des données, deux analyses sont nécessaires : 50 000 pseudo-expériences de bruit de fond  Effet « Look Elsewhere » 50 000 pseudo-expériences de signal  Performance de la méthode A peak = 300 A interf = 0 M Z’ = 1 TeV à 3.5 TeV par pas de 10 GeV Γ Z’ /M Z’ = 0.2% à 10% par pas de 0.2%  7500 hypothèses Z’ différentes On s’intéresse à l’hypothèse qui retourne la significance maximum

36 36 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Distribution des Smax obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo- expériences “bruit de fond” Quantification de l’effet “Look Elsewhere” Hypothèse « Bruit de fond » Estimation de l’effet “Look Elsewhere” Effet “ Look Elsewhere” Données Hypothèse « Signal N » Hypothèse … « Signal 2 » Hypothèse « Signal 1 »  4.6  10 -2 pour une évidence à 3σ (6  10 -5 par definition)  8  10 -5 pour une découverte à 5σ (6  10 -7 par définition)

37 37 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Recherche d’un Z’ Pour un Z’χ de 2.5 TeV et 1 fb -1 Cette méthode est utile pour estimer la présence d’un Z’ et pour estimer sa masse. Elle pourra être appliquée sur les premières données. Distribution des S max obtenus en recherchant un Z’ dans des pseudo-expériences “Signal Z’ χ à 2.5 TeV” 52%  Évidence de Z’ Estimation de sa masse à ~50 GeV 3%  Évidence d’un faux Z’ 45%  Le Z’ nous échappe

38 38 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ III - Études des Z’ avec ATLAS Potentiel de découverte des Z’ Paramétrisation du spectre de masse invariante des Z’ Analyse statistique Potentiel de découverte des Z’ « usuels » Étude indépendante du modèle théorique Recherche d’un Z’ dans des données expérimentales Utilisation de la paramétrisation comme outil de recherche d’un Z’ Estimation de l’effet “Look Elsewhere” Recherche d’un Z’ Étude du spectre en rapidité Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité Analyse sur des pseudo-expériences

39 39 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Ajustement des couplages u et d via la distribution en rapidité Informations sur les couplages aux quarks u et d  Discrimination des modèles Ajustement des quantités P qq  Z’ Variables à ajuster  Fonction d’ajustement  M Z’ =1.5 TeV L  130 fb -1 M Z’ =1.5 TeV L  130 fb -1

40 40 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse au niveau reconstruit M Z’ =1.5 TeV L  130 fb -1 M Z’ =1.5 TeV L  130 fb -1 Ajustement des quantités P qq  Z’ Fonction d’ajustement  Les distributions  (Y)  Y q (Y) sont normalisée à 1. L’efficacité de sélection ne dépend que de la rapidité du Z’

41 41 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse sur des pseudo-expériences Étude Monte-Carlo avec 10000 pseudo-expériences Modèle SSM à 1.5 TeV avec 130 fb -1 Modèle χ à 1.5 TeV avec 130 fb -1 Analyse discriminante efficace sur une observable simple à reconstruire Biais dû à la non considération des quarks s

42 42 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Rapidité Estimation du rapport des couplages u / d Potentiel de découverte 1 fb -1   2- 2.5 TeV 10 fb -1  > 3 TeV Recherche de Z’ Évidence et estimation de la masse Paramétrisation du spectre en masseConclusion Interface WEB de la paramétrisation  Processus hadronique Facteurs K + Efficacité Résolution

43 43 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ + Perspectives Rapidité Estimation du rapport des couplages u / d Potentiel de découverte 1 fb -1   2- 2.5 TeV 10 fb -1  > 3 TeV Recherche de Z’ Évidence et estimation de la masse Paramétrisation du spectre en masse Interface WEB de la paramétrisation Processus hadronique Facteurs K EfficacitéRésolution  Applications Canal muon Graviton Z’ KK Techni-  Techni-  Étude des bruits de fond avec les données (facteur de rejet électron – jet) Utiliser d’autres observables (paramétrisation de l’asymétrie avant- arrière pour une étude MC approfondie) Adaptation de la paramétrisation aux processus à plusieurs résonances. Étude et optimisation des performances de reconstruction et d’identification des électrons de haute énergie.

44 44 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Rapidité Estimation du rapport des couplages u / d Potentiel de découverte 1 fb -1   2- 2.5 TeV 10 fb -1  > 3 TeV Recherche de Z’ Évidence et estimation de la masse Paramétrisation du spectre en masseConclusion Interface WEB de la paramétrisation  Processus hadronique Facteurs K + Efficacité Résolution

45 45 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ FIN

46 46 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Champs de jauges dans le Bulk Higgs confiné sur la brane du TeV Fermions dans le Bulk avec une localisation particulière Couplages non universels pour le Z’ [ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, Hep-ph/0602155 ] RS avec matière dans le bulk : Randall-Sundrum with bulk matter Nouvelle interprétation de la hierarchie de masse des fermions Compatible avec des théorie de grande unification [hep-th/0108115]. Excitation de KK forment des candidats WIMP.

47 47 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Fermion mass in the RS model Fermion 5D masses : Effective 4D masses matrix: c i = new dimensionless parameters k ij = new parameters related to the yukawa coupling RS model : 1 spatial X-dim compactified over S 1 /Z 2 with radius R c

48 48 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Contraintes indirectes

49 49 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’Duoplasmatron Entrée du gaz Les électrons ionisent le gazAnode ( V = -70 Volts ) Extracteur ( V = -30.10 3 Volts ) Filament à revêtement d’oxyde ( V = -100 Volts ) Bobine Faisceau d’ions positifs Les ions migrent vers le potentiel négatif Plasma (gaz ionisé +) e - H H +

50 50 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Segmentation du calorimètre EM

51 51 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Segmentation du calorimètre EM

52 52 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Resolution et linearité des amas EM Barrel :  78 % of cluster E resolution = (1 ± 0.01) % E linearity = (0.5 ± 0.01) % pT resolution = (2.3 ± 0.01) % pT linearity = (-0.7 ± 0.01) % Crack :  3 % of cluster Poor resolution Poor linearity End-cap :  19% of cluster Long tails E resolution = (1.2 ± 0.02) % E linearity = (0.46 ± 0.02) % pT resolution = (2.8 ± 0.02) % pT linearity = (-0.6 ± 0.03) % Shift Overflows

53 53 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Z’ reconstructed with 2 EM clusters Shift 2 amas centraux : m ll resolution = (1.3 ± 0.02) %

54 54 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Résolution sur la masse invariante Mass [TeV] σ gaussian

55 55 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Bruit de fond top anti-top

56 56 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Identification de la charge

57 57 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Rapport de maximum de vraisemblance

58 58 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Résultat muons SSM à 1TeV χ à 1TeV

59 59 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Potentiel de découverte

60 60 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Ajustement de Y avec les quarks s

61 61 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Analyse au niveau génération Étude Monte-Carlo avec 10000 pseudo-données Modèle SSM à 1.5 TeV avec 130 fb -1 Modèle χ à 1.5 TeV avec 130 fb -1 Biais du à la non considération des quarks s Résultats compatibles à 2 

62 62 I - Du Z aux Z’II - Les Z’ au LHCIII - Les études Z’ Efficacité de sélection des qq  Z’  e + e - Deux e  émis dos-à-dos … On ne sait pas d’où vient le quark … Collisionneur pp Centre de masseLaboratoire Boost fixé par les PDF Asymétrie dépendante des couplages Identique pour tout les spin 1 Efficacité ne dépend que de la rapidité (du boost)