Recherche de jauginos se désintégrant

1. entrois leptonspar lecouplage λ121, avec les données duRun IIde l’expérience DØau Tevatron Recherche de jauginos se désintégrant Anne-Marie Magnan Mardi 12 juillet 2005 LPSC Grenoble.

2. m = 89 GeV.c-2 Plan Introduction • La supersymétrie • Le détecteur DØ Reconstruction des particules • Corrections géométriques • Analyse des données • Interprétation des résultats Conclusion Perspectives

3. Introduction : le Modèle Standard Etat actuel : électromagnétisme Modèle vérifié très précisément par l’expérience, jusqu’à l’échelle électrofaible (~100 GeV) interaction forte interaction faible • Mais : quelques incohérences • corrections radiatives divergentes à la masse du Higgs • 19 paramètres libres : masses des particules, couplages,… • n’unifie pas les interactions électrofaible et forte • n’inclut pas la gravité + Boson de Higgs • Une solution possible : la supersymétrie • masse du Higgs stabilisée • unification des interactions électrofaible et forte • possibilité d’inclure la gravité

4. La supersymétrie • Brève introduction • Brisure de supersymétrie • La R-parité • Phénoménologie en R-parité violée • Le détecteur DØ • Corrections géométriques • Analyse des données • Interprétation des résultats

5. boson fermion = supermultiplet, avec même masse, même charge, même isospin faible, même nombre de couleur. Partenaire scalaire d’un fermion du Modèle Standard φ λ†, ψi† λ Aμ partenaire fermionique d’un boson de jauge ou fermion du Modèle Standard Exemples : partenaire fermionique d’un boson de jauge Champ de jauge ψ† λ, ψi fermion du Modèle Standard III.1. Introduction Supersymétrie Fermions Particules de matière Spin demi-entier Bosons Vecteurs des interactions Spin entier Le lagrangien invariant par supersymétrie décrira les champs libres et les interactions possibles entre ces champs.

6. Deux champs de Higgs + 4 neutralinos (i=1,2,3,4), 2 charginos (j=1,2). Modèle Standard : W±, Z et γ Classification des particules

7. Couplages trilinéaires  Souvent reliée à M2 car hypothèse d’unification des couplages à l’échelle GUT. III-2. Brisure de supersymétrie • Supersymétrie brisée : les « superpartenaires » ne peuvent pas avoir les mêmes masses que les particules standard, sinon elles seraient déjà découvertes ! • Plusieurs modèles de brisure. • Modèle SUGRA (SUperGRAvité) : la brisure de SUSY se fait dans un secteur “caché”, et est véhiculée au secteur “visible” par l’intermédiaire de la gravité. • Termes de brisures dans le lagrangien :  MSSM : 124 paramètres libres  Réduits à 34 dans un modèle contraint cMSSM M1 , M2 = masse des bino et winos à l’échelle électrofaible M3 = masse des gluinos à l’échelle électrofaible m = matrices de masse des scalaires à l’échelle électrofaible b = paramètre de mélange des Higgs

8. Modèle de supergravité minimale • Modèle mSUGRA (minimal SUperGRAvité) : plus que 5 paramètres libres m0 = masse unifiée des scalaires à l’échelle de grande unification (GUT); M1 = M2 = M3 = m1/2 = masse unifiée des jauginos+higgsinos à l’échelle GUT; tanβ = paramètre de mélange des Higgs; signe de μ = rapport des valeurs dans le vide des deux doublets de Higgs; A0 = valeur unifiée des couplages trilinéaires. • On ne sait pas où se situe la SUSY dans cet espace. • On choisit : tanβ =5, A0= 0, et on étudie les paramètres • m0, m1/2 et signe de μ . Valeurs des paramètres  Masses des particules Sections efficaces

9. III.3. La R-parité • Définition de la R-parité: nombre quantique multiplicatif défini par • Rp = (-1)3B + 2S +L Rp = +1 pour les particules standard, • Rp = -1 pour les particules SUSY. • Reflète la conservation des nombres baryonique et leptonique. • Introduit pour assurer la stabilité du proton • R-parité conservée = la PARTICULE SUPERSYMÉTRIQUE LA PLUS LÉGÈRE (LSP) ne peut pas se désintégrer: stable, bon candidat à la matière noire. • R-parité violée : • la LSP se désintègre en particules du Modèle Standard, • les nombres leptonique et/ou baryonique ne sont plus conservés, • le couplage doit être faible  limites expérimentales contraignantes pour respecter les phénomènes connus; ex. : temps de vie du proton > 1035 ans. • Termes de R-parité violée dans le superpotentiel :

10. i,j,k = indices des familles (leptons et quarks) _ νμL μ+ ~ ~ νeL e-L λ121 λ121 e- e- Les couplages de R-parité violée Les couplages particules SUSY- particules standard sont classés en 3 catégories: - λijk(états finaux leptoniques), - λ’ijk(états finaux semi-leptoniques) - λ’’ijk(états finaux hadroniques). Par simplicité + nécessités phénoménologiques : un seul couplage non nul !! Etat final avec au moins deux électrons : on choisit le couplage λ121; On choisit λ121= 0,01 (Limite actuelle : λ121 < 0,05). Rp=+1 Rp=+1 Rp= - 1 Rp= - 1 Rp=+1 Rp=+1

11. Voie s ~ photino ~ zino Voie t ~ winos Principalement production de et . III.4. Phénoménologie en R-parité violée Collisions quark-antiquark : couplages de jauge >> couplage RpV  R-parité conservée : • production d’une paire de particulesSUSY; • en général, sfermions trop lourds paire de jauginos • dans l’espace des paramètres explorés, la composition des jauginos est: • production favorisée : jauginos les plus légers (plus d’espace de phase pour la réaction) Mais:  ZWW  γγγ, Zγγ  WWZ  γγZ, ZZγ  ZZZ  WWγ

12. + désintégration directe en leptons du Modèle Standard RpV _ υi • Z* f ee ~ eμ ee eμ υi W* f υi ~ 0 χ Paires de jauginos  paire de LSP = 2 dans l’état final 1 • Désintégration des neutralinos en leptons  Couplage λ121 RpV Etat final: eeee, eeeμ, ou eeμμ + énergie manquante Chaine de désintégration • Désintégration des jauginos :en deux corps : paire fermion-sfermion (ms < mχ) • puis sfermion  LSP + fermion • en trois corps : en jaugino plus léger + paire de fermions RpC Exemples : Possibilité de perte d’un lepton: recherche deee+l, l=e ou μ .

13. principalement et désintégration des 2 jauginos en LSP ( ) En résumé production de paires de jauginos RpC  RpC avec leptons des cascades désintégration des 2 LSP en leptons 50% eeμμ 25% eeeμ 25% eeee RpV Etat final recherché ee + (e ou μ) + ν’s

14. Luminosité intégrée 2005 2004 2003 2002 Run II : du 19 avril 2002 au 24 juin 2005 : Ldélivrée = 1 fb-1 Le Tevatron • Comment chercher de nouvelles particules, ou comment tester le Modèle Standard précisément ?  Se placer au-delà de l’échelle électrofaible, ou à l’échelle d’énergie que l’on veut tester . Supersymétrie : > 1 TeV • Grands instruments : Tevatron, collisionneur proton-antiproton actuellement en fonctionnement à s = 1,96 TeV; • 6 km de circonférence; • Temps entre deux collisions : 396 ns; • Deux points de collisions et deux détecteurs : DØ et CDF.

15. La supersymétrie • Le détecteur DØ • Vue d’ensemble • Les détecteurs de traces • Les calorimètres • Le système de détection des muons • Le système de déclenchement • Récapitulatif • Corrections géométriques • Analyse des données • Interprétation des résultats Objectif : identifier et reconstruire des électrons et des muons

16. pseudo-rapidité η = -ln(tanθ/2) Impulsion p, énergie E, Plan transverse (x,y) : angle φ impulsion transverse pT  - p p I.1. Vue d’ensemble du détecteur ~ 20 m Les coordonnées utilisées ~ 12 m

17. a- Vue d’ensemble SMT + CFT 800000 canaux de silicium 77000 fibres scintillantes Mesure de p , η, φ, charge c- Reconstruction de traces Champ magnétique de 2 T. Résolution en pT : 2 - 10% I.2. Les détecteurs de traces b- Acceptance du détecteur On ne sait pas où a lieu la collision en z SMT : position du vertex en z < 60 cm . CFT : η < 2,5

18. Cryostats Objet électromagnétique Energie reconstruite = EM1+EM2+EM3+EM4+FH1 FH1 EM4  EM3 EM2 CC EC ICD EM1 solénoïde θphys  z Vertex d’interaction 0 Critères de sélection des électrons Isolation : fraction d’énergie dans les cellules autour < 0,2. Critères de qualité Forme de la gerbe : dimensions longitudinale + transverse  Variable de χ² appelée H-matrix : écart entre un vrai électron et l’objet testé. 0 < H-matrix < 10 000. H-matrix petite : < 40  vrai électron. Fraction électromagnétique > 0,9 I.3. Les calorimètres Calorimètre à échantillonage Uranium + Argon liquide

19. Nb de segments dans les détecteurs 2- Qualité : « loose » « medium » « tight » I.4. Le système de détection des muons Mesure de l’impulsion des muons Scintillateurs Critères de sélection des muons Chambres à fils 1- Zone fiducielle: η < 2 3- Trace associée dans les détecteurs centraux ? 4- Variables d’isolation : énergie autour de la trace dans les détecteurs centraux, et autour du dépôt dans le calorimètre < 2,5 GeV.

20. I.5. Le système de déclenchement Entrée : 2,5 millions d’évènements par seconde Temps de calcul Sortie électronique des détecteurs Décision du niveau L1 Ex: calorimètre : une tour EM de seuil > x + un signal MUON en coïncidence dans les couches A, B et C non On efface Détecteurs < 4,2 μs oui Entrée : 2000 évènements par seconde non Décision du niveau L2 Ex: MUON de qualité Medium On efface < 100 μs oui Entrée : 200 évènements par seconde non Décision du niveau L3 Ex: la gerbe EM a la forme d’un électron On efface < 100 ms oui Sortie : 50 évènements par seconde On sauvegarde et on reconstruit entièrement l’évènement

21. Détecteurs de muons Détecteurs de traces Calorimètres CRITÈRES DE QUALITÉ E, ET, fEM, isolation, H-matrice Probabilité de χ² d’associer une trace à un dépôt d’énergie dans le calorimètre p, pT, η, ϕ Qualité medium Trace centrale Isolation Variable de « likelihood » (maximum de vraisemblance) 0 < likelihood < 1 , proche de 1 = vrai électron. , avec i particules visibles Energie transverse manquante : Ce que l’on ne peut pas détecter = les particules neutres qui n’interagissent que par interaction faible. Collision suivant z  avec i particules produites lors de la collision. Identification et reconstruction des électrons et des muons CORRECTIONS

22. La supersymétrie • Le détecteur DØ • Corrections géométriques • Explication du problème • Méthode employée • Vérification des résultats obtenus • Analyse des données • Interprétation des résultats

23. Après reconstruction, perte d’énergie en fonction de la pseudo-rapidité η Energie reconstruite = EM1+EM2+EM3+EM4+FH1 50 GeV CC FH1 EM4  EMC- Ereco EM3 ICD EM2 EC nord EC sud EM1 EC solénoïde CC ηdet ηphys ICD  ICD z Vertex d’interaction 0 II.1. La problématique Quelle est l’énergie initiale de la particule ? Interaction avec de la matière  perte d’énergie Calorimètre = matière instrumentée  mesure de l’énergie En amont : matière morte (structures du SMT, solénoïde, cryostat du calorimètre) La perte en amont du calorimètre dépend de l’épaisseur traversée. Détecteur à géométrie cylindrique  a priori indépendance en φ  La perte d’énergie ne dépend que de η et de l’énergie incidente. Pour avoir accès à l’énergie initiale : simulation Monte Carlo. Un évènement = 1 électron généré à une énergie E. ηdet

24. Fonction de paramétrisation : aCC bCC cCC CC après corrections CC avant corrections bCC aCC cCC 50 GeV 50 GeV ηphys ηphys 100 GeV 100 GeV ηphys ηphys II.2.a Corrections dans le CC : |ηdet| < 1.1 18 points en énergie entre 2 et 200 GeV. 1. CC : énergie fixée, dépendance en η;  ΔE ~ 1-2 GeV 2. Dépendance en énergie des coefficients aCC, bCC, et cCC; 3. Vérification de la correction;  ΔE ~ 0,1 GeV

25. Fonction de paramétrisation : EC avant corrections EC après corrections δCC αEC 160 GeV - partie η < 0 Partie nord αEC δCC 160 GeV - partie nord Partie nord Noter l’échelle ! 160 GeV - partie η > 0 6. Vérification de la correction; 160 GeV - partie sud II.2.b Corrections dans le EC : 1.5 < |ηdet| < 2.5 Même procédure 4. EC : Énergie fixée, dépendance en η; 5. Dépendance en énergie des coefficients aEC, bEC, cEC, dEC et eEC; CORRÉLÉS  combinaisons linéaires αEC, βEC, γEC, δEC, et εEC grâce à la matrice de corrélation. εEC est indépendant de E : fixé. αEC, βEC, γEC : même forme de dépendance en énergie.

26. 50 GeV 50 GeV CC et EC corrigés bIC aIC bIC aIC On symétrise II.2.c Corrections dans l’ICD : 1.1 < |ηdet| < 1.5 7. ICD : Énergie fixée, dépendance en η; 8. Paramétrisation globale;

27. Générée Reconstruite avant corrections Reconstruite après corrections II.3. Vérification des résultats : MC Simulation MC de Zee. Valeur du PDG 2004 : mZ = 91,19 GeV.c-2 ΓZ = 2,5 GeV Ecart-type avant et après Valeur moyenne avant et après

28. II.3. Vérification des résultats : données Valeur du PDG 2004 : mZ = 91,19 GeV.c-2 ΓZ = 2,5 GeV .c-2 Données réelles : sélection de deux électrons du pic de résonance du Z Me1e2 = (2.E1.E2.(1-cosθ12)) Après : m = 90,8 GeV Avant : m = 86,3 GeV

29. La supersymétrie • Le détecteur DØ • Corrections géométriques • Analyse des données • Principe • Les données et les MC utilisés • Accord avec le Modèle Standard ? • Sélection de trileptons • Interprétation des résultats

30. IV-1. Structure globale d’une analyse de données Propriétés attendues Section efficace de production SUSYGEN Objectif : Trouver de nouvelles particules Échantillon SIGNAL ! Simulation MC ! Ce que l’on a : Données du détecteur Prises entre juin 2002 et août 2004 355 pb-1 Échantillon DONNEES REELLES Ce que l’on connaît : Prédiction du Modèle Standard Échantillons BRUIT DE FOND ! Simulation MC ! Comparaisons En nombre En forme Référence : pic de résonance du Z Désaccord = Défauts des données réelles ? Mauvaise simulation ? Il manque des processus ? La SUSY est découverte ! Accord = Modèle Standard OK Détecteur OK

31. Avec 2 électrons de qualité Z/DYee 5-1960 GeV + données υe - υτ W e+ τ+ Z τ- W e- - υe υτ IV-2.b Les processus du Modèle Standard Processus donnant un état final avec 2 électrons ou 1 electron+1muon: Z/DY  ee 5-1960 GeV Z/DY  ττ 5-1960 GeV Z/DY  μμ 5-1960 GeV W  lυ WW inclusif WZ inclusif ZZ inclusif ttbar  ll Υ ee Υ μμ PYTHIA NORMALISATION nMC = nsel x Lréelle/LMC  1ère étape : vérification de l’accord DATA-MC Modèle Standard Ex. : Efficacité de sélection de 100%, lumi de 355 pb-1 σZee = 254 pb  90170 évènements Z attendus σλ121 = 1 pb  355 évènements de signal attendus Signal négligeable à ce niveau

32. Sélection ee Sélection eμ 2ème étape : sélection du signal Coupures qui éliminent les processus du Modèle Standard, mais pas le signal ! Sélection eel Déroulement de l’analyse 1ère étape : vérification de l’accord données réelles - Monte-Carlo  Efficacités de sélection des objets  Efficacité du système de déclenchement  Fond manquant : les « faux » électrons et « faux » muons  Non détaillée

33. Rapport εdata/εMC Résonance du Z 15 < pT < 20 GeV, 1,5 < |η| < 2,5 Efficacité des coupures Résonance de l’Υ 7 < pT < 10 GeV, |η| < 1,1 CC : |η|< 1,1 CC : |η|< 1,1 (tt) qual (tt) données Monte Carlo pT (GeV.c-1) (tp) pT (GeV.c-1) (tp) EC : 1,5 <|η|< 2,5 (tt) : évènements avec deux électrons très bons; (tp) : un électron très bon + un électron avec les critères recherchés (tf) : un électron très bon + un électron qui ne passe pas les critères recherchés EC : 1,5 <|η|< 2,5 (tf)  Correction du MC pT (GeV.c-1) (tf) pT (GeV.c-1) IV-3. Obtention de l’accord avec les prédictions du Modèle Standard (I) MC trop optimiste  1ère piste : différence de comportement dans la sélection des objets Ex. la simulation reconstruit les traces trop proprement. Objectif : estimer l’efficacité de sélection des objets (critères de qualité « qual ») dans les données et dans le MC, pour corriger les différences éventuelles. Méthode : sur un lot d’objets que l’on sait être des électrons Paire d’électrons des résonances du Z et de l’Υ + toujours un « bon » objet Puis on regarde comment réagit le deuxième objet de la paire  efficacité de la coupure à sélectionner un « bon » objet.

34. Il manque un processus !  3ème piste : faux électrons (muons) pas de distinction de charge, on doit les trouver dans les évènements de même signe. Evènements avec 2 électrons de même signe Fond QCD : interactions les plus nombreuses qq  qq, qg, gg Quarks et gluons peuvent être reconstruits comme des électrons ou des muons isolés _ _ Mais cette probabilité est très faible : nécessité de millions d’évènements, trop long à simuler. Modèle : estimation à partir des données. Recherche d’une variable discriminante: Échantillon de recherche Echantillon QCD 0 Variable discriminante : H-matrice (forme de la gerbe) 40 IV-3. Obtention de l’accord avec les prédictions du Modèle Standard (III) Evènements de même signe dans le Modèle Standard = mauvaise identification de la charge

35. Après normalisation : vérification sur plusieurs variables Le fond QCD Ajout de ce fond : Normalisation en nombre d’évènements : x 2,2 ± 0,4

36. Masse invariante : OK Energie transverse manquante : OK Impulsion transverse de l’électron le plus énergétique :OK Impulsion transverse du deuxième électron :OK Pseudo-rapidités :OK Évènements à deux électrons • Rappels • Simulation des processus du Modèle Standard qui donnent un état final avec deux électrons. • Représentation des « faux » électrons  fond QCD • A ce niveau : le signal est noyé dans le fond Modèle Standard •  on doit avoir un très bon accord DATA/Monte Carlo.

37. Évènements avec un électron et un muon Impulsion transverse de l’électron Impulsion transverse du muon  Bon accord

38. +8,5 -1,1 IV-4. Sélection de trois leptons Au niveau où le signal est négligeable : très bon accord entre les données réelles et leur interpretation dans le cadre du Modèle Standard. Il faut maintenant sélectionner le « signal » : on recherche ee + (e ou μ) + ν’s Signal : (m0=1000, m1/2=280, μ > 0) Nombres d’évènements : ee : eμ : Ajout d’un troisième lepton : natt = 9,34 ± 0,08 (stat) ± 0,78 (sys) natt = 4,54 ± 0,08 (stat) ± 0,52 (sys) natt = 5,21 ± 0,08 (stat) ± 0,49 (sys)

39. IV-4. On affine la sélection Objectif : encore moins de fond sans trop diminuer le signal :

40. Vérifications Vérification au niveau de la sélection de 3 leptons Masse invariante Énergie transverse manquante

41. En chiffres Finalement : Dans le signal m0=1000 GeV

42. Les sources d’erreurs considérées Signal : statistiques = 1-4% suivant le nombre d’évènements générés (~ 5000) systématiques (triggers, εqual, …) = ~ 10 %

43. Electron 2 pT = 41,5 GeV.c-1. Electron 1 pT = 47,1 GeV.c-1. Electron 3 pT = 9,1 GeV.c-1. MET = 26,4 GeV.c-1. L’évènement restant Hypothèse la plus probable : évènement Z + jet le jet étant reconstruit comme un électron

44. La supersymétrie • Le détecteur DØ • Corrections géométriques • Analyse des données • Interprétation des résultats • Obtention d’une limite • En mSUGRA • En MSSM • Combinaison avec d’autres états finals intéressants

45. m0 = 1000 GeV, tanβ = 5, A0 = 0 V-1. Obtention d’une limite ou découverte ? Le nombre d’évènements observé dans les données réelles est en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard. Peut-on rejeter l’hypothèse de l’existence du signal ? NON ! Il faut tester l’hypothèse signal+bruit, et mettre une limite supérieure sur la section efficace que le signal pourrait avoir tout en étant compatible avec les nombres d’évènements observés et attendus, dans 95% des cas notée σ95 Si σ95 < σth, on exclut l’existence du point, si σ95 > σth, on ne peut rien dire. Limite attendue  si Nobs = Nbkg donne une indication de la sensibilité de l’analyse

46. σ95 liée à l’efficacité de la sélection  liée au nombre de leptons  lié aux rapports de branchement des jauginos produits ( , ). Rapports de branchement du pour μ > 0 Rapports de branchement du pour μ > 0 20% en (e, μ) + ν 2 leptons en plus ~ ~ ~ ~ τ1 + ντ τ2 + ντ τ2 + τ τ1 + τ ~ ~ ~ ~ ~ νi + νi νi + ei 0 0 0 χ + lν χ + W χ + ll 1 1 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ (e,μ)R + (e,μ) (e,μ)L + (e,μ) (e,μ)L + (e,μ) V-2. Résultats en mSUGRA σ95 en fonction de m1/2 Zone exclue Limite attendue Limite observée

47. ~ 0 χ σ95 en fonction m 1 σ95 en fonction de m1/2 σ95 en fonction m ~ m (GeV) 0 χ 1 msfermions >> mjauginos. m1/2 > 248 GeV.c-2 m > 106 GeV.c-2 m > 212 GeV .c-2 Exclusion DØRunI 212 GeV 106 GeV 248 GeV m1/2 > 270 GeV.c-2 m > 110 GeV.c-2 m > 214 GeV .c-2 214 GeV 110 GeV Exclusion DØRunI 270 GeV A grande valeur de m0

48. Dans un modèle plus général  cMSSM On ne fait plus l’hypothèse de l’unification de la masse des jauginos+higgsinos à l’échelle GUT Les paramètres sont au nombre de 15 (+19 du Modèle Standard) On utilise M1, M2, On choisit μ = 1000, tanβ=5, msquarks = msleptons = 1000 GeV M2 ~ M 210 GeV V-3. En MSSM

49. V-3. Combinaison : λ121 Recherche de μμ+l  Daniela Kaefer (Aachen) Recherche de ee+τ  Anne-Catherine Le Bihan(Strasbourg) Sensibilité en λ121 ~ 3-4% pour μμ+l ~ 1-2% pour ee+τ

50. ~ 0 χ 1 limites LEP : m > 39 GeV .c-2 m > 103 GeV .c-2 Conclusion • La SUSY n’a pour l’instant été vue ni en R-parité conservée, ni en R-parité violée. • Résultats obtenus en mSUGRA : pour 100 < m0 < 1000 GeV .c-2 , tanβ = 5, A0= 0 • m1/2 > 248 GeV.c-2 (resp. 270) pour μ < 0 (resp. μ > 0) • m > 106 GeV.c-2 (resp. 110) pour μ < 0 (resp. μ > 0) • m > 212 GeV .c-2 (resp. 214) pour μ < 0 (resp. μ > 0) • Etude de l’exclusion dans un modèle plus général: • pour des scalaires lourds (~1000 GeV), tanβ = 5, μ = 1000 • m > 210 GeV .c-2 quelque soit la masse du • Les résultats combinés avec deux autres analyses complémentaires donneront lieu à une publication. Run I : 190 et 210 GeV.c-2