STAGE M2 description détaillée

STAGE M2
titre du stage : Recherche de phénomènes de dimensions supplémentaires dans les
événements diphoton à 13 TeV avec le détecteur ATLAS
description détaillée :
Dans le contexte de la Physique des Particules, la naturalité du Modèle Standard de la
Physique de Particules est une question qui fait débat. En effet, en l’absence de nouveaux
phénomènes, le domaine de validité du Modèle Standard doit s’étendre jusqu’à l’échelle de
Planck où la gravité quantique joue un rôle important. Cette échelle de Planck est grandement
supérieure aux autres échelles d’énergie connues.
L’interaction électromagnétique a une échelle d’énergie de l’ordre de 500 keV (ce qui correspond à la
masse de l’électron). Lorsque l’on sonde des énergies autour de 1GeV (la masse du proton),
l’interaction forte joue un rôle important. Puis pour des énergies de l’ordre de 80 GeV (la masse du
W), l’interaction faible entre en jeu. La quatrième interaction connue, la gravité, ne joue un rôle
important qu’à partir des énergies de l’ordre de 1019 GeV soit 17 ordres de grandeurs supérieurs à
l’échelle électrofaible. Cette grande disparité entre les deux échelles est connue sous le nom de
problème de la hiérarchie et constitue un problème de naturalité du Modèle Standard de la Physique
des Particules.
Dans le contexte du Modèle Standard, pour assurer la brisure électrofaible, le boson de Higgs doit
avoir une masse de l’ordre de 100GeV. Si l’on suppose que le Modèle Standard est valide jusqu’à une
échelle en énergie donnée Λ, les corrections radiatives (boucles) dépendent quadratiquement de Λ.
Prenant en compte ces corrections, la masse physique du boson de Higgs suit la relation suivante :
mh2 = m02+ cΛ2. Dans cette relation, mh représente la masse physique du boson de Higgs (autour de
100GeV), m0 est la masse du boson de Higgs dans le contexte de la théorie à l’échelle Λ et cΛ
représente les corrections à prendre en compte pour les phénomènes physiques entre l’échelle Λ et
l’échelle électrofaible avec c une constante d’une valeur de l’ordre de 0.01. Si l’on suppose que Λ2 =
MPl2 , alors m02 doit avoir une valeur proche de MPl2
. En conséquence les deux termes doivent s’annuler
avec une précision de 10 -32 pour que mh2 ~(100 GeV )2. Une telle condition n’est pas interdite dans le
contexte du Modèle Standard. Cependant, le fait que ces deux termes d’origine physique différente
s’annulent de façon si précise semble improbable et représente une atteinte forte à la naturalité du
Modèle Standard. De nombreux modèles au-delà du Modèle Standard permettent de s’affranc
hir de cet
ajustement. Les plus populaires sont les modèles supersymmétriques (SUSY). Dans ces modèles,
grâce à l’ajout de nouvelles particules, le calcul des corrections radiatives permet de régulariser la
masse du boson de Higgs. Les corrections radiatives ne dépendent plus alors quadratiquement de Λ
mais logarithmiquement, ce qui les rend moins importantes. Une autre solution serait l’ajout de
dimensions supplémentaires comme nous le proposons dans ce projet.
Les dimensions supplémentaires ont tout d’abord été introduites dans des théories tentant
d’unifier les différentes interactions de la nature. Dans les années 90, des théories considérant des
dimensions supplémentaires de tailles TeV−1 ont vu le jour. En 1999, Randall et Sundrum (RS)
introduisirent les dimensions supplémentaires courbées (En anglais warped extra dimensions). Dans
cette approche, la géométrie de l’espace amène une relation naturelle entre la taille de la dimension
supplémentaire et l’échelle électrofaible. Les modèles modernes à dimensions supplémentaires
s’appuient sur une partie du formalisme développé par Kaluza et Klein. Du point de vue de l’espace à
plusieurs dimensions, ceci décrit une série infinie de particules de masses mKK, ces particules sont
appelées excitations (ou tours) de Kaluza-Klein. Des recherches de manifestation de gravitons de
Kaluza-Klein ont été effectués à partir des observations des étoiles à neutrons. Ces gravitons seraient
produit par interactions nucléon nucléon au cours de l’effondrement du cœur de ces étoiles massives.
La production directe de gravitons peut être observée auprès des collisionneurs de hautes énergies.
Puisque le graviton se couple au tenseur énergie-impulsion, il peut être attaché à toutes les particules
du Modèle Standard. Auprès de collisionneurs hadroniques, les recherches d’émissions directes de

graviton s’effectuent par des études des états finals de type X + « missing » E
T
avec X une particule du
Modèle Standard telle qu’un photon, un gluon ou un boson Z ou W. ATLAS et CMS ont effectué des
recherches d’émissions directes dans les événements avec un seul photon et dans les événements avec
un seul « Jet ». Ces recherches ont été menées en utilisant les données enregistrées en 2011 et 2012
avec une énergie dans le centre de masse de 7TeV et 8TeV. Ces recherches ont fortement augmenté
les contraintes sur les modèles à grandes dimensions supplémentaires.
Une autre signature possible auprès de collisionneur est l’échange virtuel de gravitons.
Pour les états finals dilepton et diphoton, l’échange virtuel de graviton de Kaluza-Klein se comporte
de façon similaire. La production s’effectue par fusion de gluons ou par annihilation de paires quark-
antiquark (gg/qqbar G l+l−/
γγ ).
Les résultats obtenus par l’expérience ATLAS dans le canal diphoton constituent une partie
importante d’un travail de thèse effectué au LPSC et l’expertise dans le domaine est située au LPSC.
Hormis la publication de la thèse, ces analyses ont fait l’objet de deux publications dans des revues
scientifiques et ont également été présentées dans le numéro d’octobre 2012 du CERN Courier. Elles
ont permis d’augmenter de manière importante les contraintes sur les modèles avec des dimensions
supplémentaires. A titre d’exemple, une limite inferieure a été mise sur la masse du graviton de type
Randall-Sundrum à 2.66 TeV lors des analyses des données à 8 TeV. La publication de ces analyses
est en cours, voir les résultats sur la figure ci-dessous.