Et avec le détecteur ATLAS
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Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Recherche de nouveaux bosons de jauge provenant de dimensions supplémentaires avec le détecteur ATLAS Julien MOREL ATLAS Exotic group LPSC - Grenoble Journées Jeunes Chercheurs – La Rochelle - 2006 LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 1 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Plan Un peu de théorie … Un peu d’expérience … Un peu d’analyse … Un peu de résultats … Un peu de conclusion … et de perspectives ! LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 2 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Le modèle standard en théorie … Théorie de jauge : SU(3)C SU(2)L U(1)Y Forte QCD 8g Faible et électromagnetique Théorie électrofaible W+,W-,Z,g Dans les années 1965 : La théorie électrofaible Glashow, Weinberg et Salam proposent une théorie de jauge SU(2)LU(1)Y pour décrire à la fois les forces faible et EM. Cette unification est réalisée grâce à 3 bosons : W±, Z, g Le mécanisme de Higgs Higgs explique la masse des particules en introduisant un nouveau champ dans la théorie. Il en résulte l’existence d’un boson de Higgs. LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 3 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Le modèle standard en pratique… Découverte des bosons W+,W- et Z Ou? CERN (SPS) Quand ? 1982 Evénement Ze+e- à UA2 sur le SPS au CERN à l’automne 1982 e e g Découverte du quark top Ou ? TeVatron Quand ? 1995 Chainon manquant : le boson de Higgs Ou ? CERN (LHC) ?? Quand ? 2008 ?? Très bon accord théorie-expérience (masse des W/Z, masse du top, …) Instabilité de la masse du higgs (problème de hiérarchie) Hiérarchie de masse des fermions (Me±=511 keV vs Mtop=175 GeV) Quantification de la charge électrique N’inclut pas la gravitation … LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 4 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Le LHC devra découvrir la physique au delà du modèle standard Plusieurs extensions possibles … Parmi elles : La Super Symétrie Introduction d’une nouvelle symétrie Fermions-Bosons Solution au problème de la hiérarchie (Annulation des divergences) Les théories de grande unification Description des forces fondamentales par la même théorie de jauge Les théories à dimensions supplémentaires Introduction de dimensions supplémentaires spatiales Solution au problème de la hiérarchie (en abaissant l’échelle de Planck) Principalement deux types de modèles (ADD, RS) … Dans la suite de cet exposé nous nous intéresserons principalement à un Z’ provenant d’un modèle à dimensions supplémentaires de type RS LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 5 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum Modèle original de RS [ L.Randall, R.Sundrum, Phys. Rev. Lett. 83 3370 (1999) ] 1 dimension spatiale supplémentaire compacte (accessible au graviton) Espace à 5D « bulk » avec une géométrie déformée, bordé par deux « branes » à 4D Permet une réduction de l’échelle de Planck (cf facteur de déformation) Modèle de RS avec matière dans le bulk [ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, hep-ph/0602155 (2006)] Brane de Planck Brane du TeV (notre espace 4D) t u Dans ce modèle Il fournit Les bosons de jauge et les fermions se propagent dans le bulk (en plus du graviton) Les fermions possèdent une localisation particulière selon la 5ème D Une nouvelle interprétation de la hiérarchie de masse des fermions Des candidats pour la matière noire (excitation de KK des particules) LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 6 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum Métrique à 5D : ds e 2 t u 2 k y dx dx dy 2 Masse de Planck : M Pl5 D e kRc M Pl4 D w M Pl4 D Facteur de déformation Les excitations de Kaluza-Klein Dimension supplémentaire compacte (finie) Etats quantiques supplémentaires (discrets) Le Z’ se couple aux mêmes particules que le Z/g : les 3 processus g/Z/Z’ vont interférer LPSC - Grenoble Julien MOREL Etat fondamental = particule MS Etats excités = excitations de KK Visibles comme des nouvelles particules dans notre espace 4D On s’intérresse à la 1ère excitation KK du Z/g = Z’ RS Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 7 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Signature expérimentale Dans un collisionneur hadronique u, d , s Décroissance hadronique : rapport signal / bruit très faible f Processus Drell-Yan Décroissance leptonique : Faible bruit physique (processus rares) g, Z ,Z ' Canal leptonique privilégié f u,d , s Nombre d’évenements Expérimentalement, on s’intéresse au spectre de masse invariante des deux leptons Z sur couche de masse 104 qq Z e e 103 Z’ hypothétique qq Z ' e e Processus DY e ee e qqqqZZ/ g/ g/ Z' 102 10 Le Z est visible sous la forme d’une résonance à 91.2 GeV (masse du Z) de largeur 2.5 GeV (largeur du Z) Un Z’ serait visible sous la forme d’une nouvelle résonance 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Masse invariante dilepton (GeV) LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 8 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Signature expérimentale Les expériences du TeVatron ont déjà contraint l’existence de Z’ Limites actuelles sur la masse des Z’ Mesures Théorie Z’ provenant de GUT MZ’ 800 GeV Recherche direct au TeVatron Z’ provenant de Dim. Supp. MZ’ 3 TeV Mesures de précision au LEP Le TeVatron pourra sonder un Z’ jusqu’à une masse de l’ordre de 1TeV en recherche directe LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 9 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Et avec le détecteur ATLAS … ? Grenoble à participé à la construction du EM Cal. La calorimétrie Très bonne résolution sur l’énergie des électrons (1% à 500 GeV) 2200 Entries = 3202 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 E / E (GeV) 200 0 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 Canal leptonique privilégié LPSC - Grenoble + Bon calorimètre électromagnétique Julien MOREL = 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 A Grenoble, on s’intéresse au processus pp Z’e+e- Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 10 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Comment identifier un candidat Z’ dans le détecteur ? Critères d’identification nécessaires Au moins deux candidats électrons dans la partie centrale du calorimétre ||< 2.5 Ces deux candidats sont identifiés comme électrons Ces deux électrons ont une charge opposée (électron + positron) Cette paire électron/positron est dos à dos dans le plan transverse 1.2 100%1 Cut efficiencies 2 gene elec with |eta|<2.5 2 reco elec. Electrons back to back 2 elec with opp ch. IsEm=0 1000 800 0.8 600 0.6 400 0.4 200 0.2 0 Entries = 8819 Mean = -0.00056 ± 0.00012 Sigma = 0.0099 ± 0.0001 With Tracker 600 800 1000 1200 1400 1600 On reconstruit un événement sur deux LPSC - Grenoble Julien MOREL 0 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 -0 0.05 0.1 0.15 (M - M Z’Reco ) / M Z’Gene 0.2 Z’Gene Bonne résolution sur la masse du Z’ Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 11 Théorie Expérience Analyse Résultats Comment savoir s’il existe un Z’RS ? Conclusion Simulation # events Pour calculer le potentiel de découverte d’un Z’RS avec ATLAS, on procède à un comptage d’évènements. Processus DY (Z/g du modèle standard sans Z’ RS) Si Processus avec Z’ (g/Z/Z’RS ) MZ’ = 3 TeV l’on considère un Z’RS, il apparait deux effets : Une nouvelle résonnance qui définie la masse et la largeur du Z’ (excès d’événements) 103 102 Une interférence avec le processus DY du MS Dans le cas d’un Z’RS l’interférence est destructive. (défaut d’événements) 10 1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 M ll (GeV) LPSC - Grenoble Julien MOREL Il faut veiller à ce que ces deux effets ne se compensent pas Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 12 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Potentiel de découverte Section efficace intégrée au delà de Mll >500 GeV qq g / Z / Z 'e e (fb) 104 Effet du à la résonance g /Z /Z ' g /Z 102 Effet du à l’interférence destructive g /Z /Z ' g /Z 100 98 96 g /Z g /Z /Z' 94 92 MZ’ en TeV 90 3 4 5 6 7 8 9 10 Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours l’interférence destructive LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 13 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Potentiel de découverte Pour calculer le potentiel de decouverte d’un tel Z’ à ATLAS, il nous faut : L’efficacite du detecteur (e) La section efficace qq g / Z / Z ' e e (Z’) La section efficace du DY (DY) Une convention pour la signification statistique (S12) Nous utilisons la convention S12 de hep-ph/0204326 (réaliste): S12 SB B S B Signal + Bruit de fond Z ' Ldt e B Bruit de fond DY Ldt e On demande |S12| > 5 pour une découverte LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 14 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Potentiel de découverte Le paramètre M1 représente les limites d’intégration Processus DY Processus avec Z’ Z/g/Z’RS 103 M1 est choisi indépendament du modèle : # events Lors du comptage d’événement, il ne faut pas que “l’interférence masque la résonance”. On calcule S12 dans deux régions du spectre de masse : Dans la région de la résonance Excès d’événements S12 0 Au delà de M1 Dans la région de l’interférence Défaut d’événement S12 0 Entre 500 Gev et M1 d DY 15 events s M1 ds s 102 10 M1 représente la “fin” du processus DY. On garde 15 événements au delà pour calculer S12 avec un nombre de bruit de fond différent de zéro 1 M1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 M ll (GeV) LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 15 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Potentiel de découverte d’un Z’ de RS avec matière dans le bulk Résonance : M ll [ M1e e ; ] Lumi = 100 fb-1 M1 = 1730 GeV Interférence : M ll [500; M 1e e ] Résonance : M ll [ M1e e ; ] Interférence : M ll [500; M 1e e ] Lumi = 10 fb-1 M1 = 1070 GeV Résonance : M ll [ M1e e ; ] Interférence : M ll [500; M 1e e ] Lumi = 300 fb-1 M1 = 2320 GeV ATLAS peut découvrir un tel Z’RS jusqu’à 4,5 TeV avec 100 fb-1 LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 16 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Conclusions et perspectives On a étudié le potentiel de découverte d’ATLAS pour différents Z’ Théories de dimensions supplémentaires (ADD, RS) Théories de grande unification Utilisation de différentes observables (Masse invariante, asymétrie avant-arrière) S’il existe un Z’ en deçà de 5 TeV, on devrait s’en rendre compte... Il va falloir penser à étudier le détecteur … résolution en énergie (en cours) linéarité du calorimètre (en cours) les triggers … LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 17 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Data set and Athena version We use : Athena version : 11.0.41 Process : Z’e+e- at 1TeV (Mll > 500 GeV) Data Set : csc11.005605.Zprime_ee_pythia_chi1000.recon.AOD.v11004205 Number of events : 24000 Z’ Cross section = 376.5 fb Ldt 0.1 fb Entries = 38 10 Ldt 1 fb Entries= 376 -1 102 -1 Entries = 377 Entries = 38 10 1 1 600 800 1000 1200 1400 1600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Dilepton invariant mass (GeV) Dilepton invariant mass (GeV) Signal visible with 1 fb-1 LPSC - Grenoble Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 18 Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion Et le Large Hadron Collider … The installation of the LHC's magnets is progressing rapidly The beam pipe closure date will be August 2007 LHC will start in 2007 with 450 GeV per beam 2008 : LPSC - Grenoble 7 TeV per beam Instantaneous luminosity = 1033 cm-2 s-1 (low lumi) = 1034 cm-2 s-1 (high lumi) Julien MOREL Recherche d’un Z ' e e avec ATLAS 19
