La recherche des Particules Stables Chargées et

La recherche des Particules Stables Charg´ees
et Lourdes avec le d´etecteur CMS au LHC
Lo¨ıc Quertenmont∗
1 Introduction
Des Particules Stables (ou quasi-stable) Charg´ees et Lourdes (HSCP) sont
pr´edites par diff´erentes extensions du Mod`ele Standard des interactions fon-
damentales entre particules ´el´ementaires. Si ces pr´edictions se r´ev`elent ˆetre
exactes, ces particules devraient ˆetre produites lors de collisions de protons
´energ´etiques au Grand Collisioneur de Hadrons (LHC) et observables grˆace
au d´etecteur ”Compact Muon Solenoid” (CMS).
1.1 Le Large Hadron Collider
Le ”Large Hadron Collider” (LHC), situ´e sur le site du CERN pr`es de Gen`eve,
est un collisioneur supraconducteur de hadrons. Le but principal du LHC
est de comprendre la nature de la brisure de sym´etrie ´electro-faible pour
laquelle le m´echanisme de Higgs est pr´esum´e responsable. L’exploration de
la physique `a l’´energie du TeV est aussi l’un des buts de cet acc´el´erateur. Les
Particules Stables Charg´ees et Lourdes (HSCP) font, entre-autres, partie de
cette nouvelle physique qui pourrait ˆetre r´ev´el´ee au LHC.
L’acc´el´erateur est install´e dans l’ancien tunnel du ”Large Electron Positron
Collider” (LEP). Ce tunnel, enterr´e sous la fronti`ere Franco-Suisse `a une pro-
fondeur variant de 45 m `a 170 m, a une circonf´erence de 26.7 km. Le LHC est
utilis´e pour acc´el´erer des faisceaux de protons (ou de hadrons lourds) circu-
lant en sens oppos´es jusqu’`a une ´energie de 7 TeV. Les particules acc´el´er´ees
peuvent ˆetre mises en collision en quatre points d’interaction. En chacun de
ces points se trouve l’une des exp´eriences majeures:
∗Florida State University with Funding by the Departement Of Energy (DOE), USA

•ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
Etudie les plasma Quark-Gluon dans les collisions d’ions lourds.
•ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)
L’une des deux experiences g´en´eraliste, recherche le boson de Higgs, la
nouvelle physique et effectue des mesures de pr´ecision sur la physique
du Mod`ele Standard.
•CMS (Compact Muon Solenoid)
L’une des deux experiences g´en´eraliste, recherche le boson de Higgs, la
nouvelle physique et effectue des mesures de pr´ecision sur la physique
du Mod`ele Standard.
•LHCb (LHC-beauty)
Etudie la physique des hadrons B et la violation CP pour expliquer
l’assym´etrie mati`ere/anti-mati`ere dans l’univers.
Le LHC est entr´e en op´eration en automne 2009 et les premi`eres collisions
pp produites `a une energie centre de masse de 7 TeV ont ´et´e enregistr´ees par
CMS au d´ebut du mois d’avril 2010.
1.2 Le Compact Muon Solenoid
Le but principal de l’exp´erience ”Compact Muon Solenoid” (CMS) est d’explorer
la physique `a l’´energie du TeV en exploitant les collisions protons-protons
produites par le LHC. La complexit´e du d´etecteur CMS, comme celle des
autres exp´eriences du LHC, est sans pr´ec´edent.
Le d´etecteur CMS est remarquable pour la recherche des HSCP, car il est
capable de mesurer l’impulsion des traces avec une bonne pr´ecision, en partic-
ulier pour les particules de type muonique grˆace `a son grand trajectographe `a
muons. Ce mˆeme syst`eme `a muons permet d’obtenir une information pr´ecise
sur le temps d’arriv´ee des particules au d´etecteur `a muons, cette information
peut ˆetre utilis´ee pour mesurer la vitesse des particules produites au point
d’interaction. Une autre particularit´e du d´etecteur CMS, utilis´ee pour la
recherche des HSCP, est la grande granularit´e de son d´etecteur `a silicium.
Celui-ci permet de mesurer la perte d’´energie par ionisation sp´eficique des
particules avec une grande pr´ecision et d`es lors d’identifier les HSCP.
2

2 Signatures Experimentales
Tout comme les muons, les particules stables, charg´ees et lourdes (HSCP) ne
sont en g´en´eral pas arrˆet´ees dans les calorim`etres de CMS. Ces particules,
particuli`erement p´en´etrantes, sont suppos´ees atteindre le syst`eme `a muons
de CMS. La signature typique d’une HSCP est d`es lors une trace de grande
impulsion qui atteint le syst`eme `a muons. De plus, ´etant donn´ee leur grande
masse (M ¿ 100 GeV/c2), les HSCP devraient ˆetre produites avec une vitesse
nettement inferieure `a celle de la lumi`ere (v=βc avec 0.1≤β≤1). Il
est d`es lors possible d’identifier ces particules, simplement en mesurant leur
v´elocit´e (β).
Deux m´ethodes peuvent ˆetre utilis´ees. La premi`ere consiste simplement `a
mesurer le temps que met la particule pour atteindre le syst`eme `a muons et
d’en d´eduire la vitesse de la particule. Ceci se fait via les d´etecteurs `a muons
qui ont une r´esolution sur la mesure du temps de l’ordre de 1 ns. L’autre
m´ethode, plus subtile, consiste `a mesurer la perte d’´energie par ionisation
(dE/dx) des particules et d’en d´eduire la v´elocit´e de la particule. La formule
de Bethe-Bloch montre que le dE/dx moyen d’une particule d´epend de sa
vitesse. Pour des particules non-relativistes (0.2≤βγ ≤0.9), cette formule
peut ˆetre approxim´ee come suit: DdE
dx E=Km2 p2+C. Les HSCP auront d`es lors
une perte d’´energie par ionisation anormalement ´elev´ee du fait de leur faible
vitesse. Le dE/dx peut ˆetre mesur´e `a l’aide du trajectographe en silicium de
CMS.
Deux types de HSCP peuvent ˆetre envisag´es. Les HSCP de type leptonique
et celles de type hadronique. Celles du premier type sont semblables `a des
muons tr`es massifs: elles interagissent peu avec le d´etecteur et sont donc
capables d’atteindre le syst`eme `a muons. Les HSCP de type hadronique,
comme les quarks et les gluons, devraient former des ´etats li´es (R-hadron) `a
cause du ph´enom`ene d’hadronisation. Ceux-ci sont simplement des hadrons
classiques dans lesquels l’un des partons a ´et´e remplac´e par une HSCP de type
hadronique. Ils ont n´eanmoins quelques particularit´es. En effet, lorsqu’ils in-
teragissent avec la mati`ere (typiquement avec le d´etecteurs), il est possible
que la charge ´electrique de ces R-hadrons soit supprim´ee ou invers´ee via
l’´echange de partons l´egers entre l’´etat li´e et la mati`ere du d´etecteur. Ce
ph´enom`ene complique notablement la d´etection de telles particules. De plus,
une ´etude r´ecente sur la mod´elisation des HSCP avec la mati`ere conclut que
certains types de HSCP ont une probabilit´e proche de l’unit´e d’atteindre le
syst`eme `a muons avec une charge ´electrique nulle. Ces particules ne pour-
raient d`es lors pas ˆetre d´etect´ees par le syst`eme `a muons. Il est par cons´equent
important d’avoir des techniques de recherche ne requi`erant pas l’observation
des HSCP dans le syst`eme `a muons.
3

3 Recherche
Deux strat´egies compl´ementaires ont ´et´e utilis´ees pour mettre en ´evidence la
cr´eation de HSCP dans les collisions pp `a q(s) = 7 TeV produites par le LHC
durant l’ann´ee 2010 et correspondant `a une luminosit´e int´egr´ee de 3.1 pb−1.
Dans les deux cas, des traces de grande impulsion avec une ´energie perdue
anormalement haute sont recherch´ees. La premi`ere strat´egie ne consid`ere
que les traces atteignant le syst`eme `a muons alors que les autres types de
traces sont ´egalement consid´er´ees pour la seconde strat´egie.
Pour ces deux analyses, aucun candidat n’a pass´e la s´election alors qu’un
bruit de fond inf´erieur `a 0.1 ´ev`enement ´etait attendu. Cette absence de
candidat a d`es lors permis d’exclure, avec un interval de confiance (C.L.)
de 95%, l’existence de gluinos stables de masse inf´erieure `a 398 GeV/c2en
utilisant un mod`ele conventionel d’interactions de ces HSCP avec la mati`ere.
Dans ce mod`ele, il est fr´equent que les gluinos stables atteignent le syst`eme
`a muons (la strat´egie d’analyse utilisant le syst`eme `a muons est d`es lors
utilis´ee). Dans le cas o`u l’interaction des gluinos stables avec la mati`ere, plus
pessimiste, ne leur permet pas d’ˆetre observ´e dans le syst`eme `a muons, les
gluinos stables de masse inf´erieure `a 311GeV/c2ont pu ˆetre exclus.
)
2
Mass (GeV/c
0 500 1000
2
Tracks / 50 GeV/c
-1
10
1
10
2
10
3
10 Tracker + Muon
Data-based prediction
Data
400g
~
MC -
-1
= 7 TeV 3.06 pb sCMS
)
2
Mass (GeV/c
200 400 600 800 1000
(pb)σ
10
2
10
)
2
Mass (GeV/c
200 400 600 800 1000
(pb)σ
10
2
10
-1
= 7 TeV 3.1 pb sCMS
95% C.L. Limits
gg
~
gluino; 10%
gg
~
gluino; 50%
g; ch. suppr.g
~
gluino; 10%
stop
stop; ch. suppr.
Theoretical Prediction
gluino (NLO+NLL)
stop (NLO+NLL)
Figure 1: A gauche: Distribution de masses observ´ees dans les donn´ees,
pr´edites pour le bruit de fond et attendues pour des HSCPs (gluino) de
400 GeV. A droite: Section efficace th´eorique et limite sup´erieure de la section
efficace observ´ee ( C.L. 95%) pour diff´erents mod`eles de HSCP et sc´enarios
d’interaction avec le d´etecteur.
4