De l'autre côté du miroir, un bref voyage au pays de l

De l’autre cote du miroir,un bref voyage au pays de l’antimatiere

Sebastien Descotes-Genon

Laboratoire de Physique Theorique (UMR 8627)CNRS, Univ. Paris-Sud, Universite Paris-Saclay, 91405 Orsay, France

Colloque Infiniti, IHP31 Octobre 2018

LPT Orsay

S. Descotes-Genon (LPT) Antimatiere, theorie et interfaces num. 31/10/18 1


Le Modele Standard: interactions, matiere. . .

3 familles de fermions de massecroissante

1 lepton charge (e, µ, τ , chargeelectrique -1)1 lepton neutre (neutrinosνe, νµ, ντ , charge nulle)1 quark de charge +2/3 (u, c, t)1 quark de charge -1/3 (d , s,b)

3 interactions (electromagnetique, forte, faible)particules lourdes instables, qui se desintegrent en particules pluslegeres par interaction faible (similaire a radioactivite des noyaux)etudiees apres avoir ete crees dans des collisions energetiques(rayons cosmiques, accelerateurs de particules) par E = mc2

teste aux echelles les plus petites (' 10−18 metre), par ex au LHC





3 interactions (electromagnetique, forte, faible)

particules lourdes instables, qui se desintegrent en particules pluslegeres par interaction faible (similaire a radioactivite des noyaux)etudiees apres avoir ete crees dans des collisions energetiques(rayons cosmiques, accelerateurs de particules) par E = mc2






3 interactions (electromagnetique, forte, faible)particules lourdes instables, qui se desintegrent en particules pluslegeres par interaction faible (similaire a radioactivite des noyaux)

etudiees apres avoir ete crees dans des collisions energetiques(rayons cosmiques, accelerateurs de particules) par E = mc2















. . . et antimatiere

Modele Standard teste experimentalement en collisionneurscombinaison de relativite restreinte et de mecanique quantique,decrivant la creation et l’annihilation de particules (E = mc2)a chaque particule, antiparticule de meme masse et chargesopposees: E↔ particule + antiparticulenotion exploitee en dehors de la physique des particules (TEP)


De l’autre cote du miroir

Mais de nombreuses questions en suspens, par exPourquoi 3 familles de fermions avec les memes interactions ?Pourquoi se distinguent-elles par des masses tres differentes ?Pourquoi l’antimatiere est-elle si rare autour de nous ?

Physique des saveurs (type de quarks et de leptons)Approche basee sur la notion de symetries et de leur brisure


Asymetrie matiere-antimatiere (ou asymetrie CP)

CollisionneursComparer probabilitesdesintegration particuleet antiparticuleAsymetries dues ainteraction faible, selonModele Standard

CosmologieBig bang: E↔ particule +antiparticuleDisparition de l’un audetriment de l’autreAsymetrie en desaccordavec Modele Standard !

Nouveaux mecanismes d’asymetrie, au-dela du Modele Standard ?





Nouveaux mecanismes d’asymetrie, au-dela du Modele Standard ?





Nouveaux mecanismes d’asymetrie, au-dela du Modele Standard ?S. Descotes-Genon (LPT) Antimatiere, theorie et interfaces num. 31/10/18 6

Quantifier l’asymetrie CP, un triple defi. . .

Defi experimentalquantite de donnee phenomenale, avec signal faible sur bruit defond important (processus rares)necessite d’une description precise des resutats des analyses(fonction de vraisemblance ou likelihood)

Defi theoriquedesintegrations de quarks/d’antiquarks dans des etats lies parinteraction forte, les hadrons, observes experimentalementcalculs complexes (th. quantique des champs) avec desincertitudes theoriques importantes (pas de th. des perturbations)

Defi statistiquecombiner de nombreuses mesures de desintegrations (quark vsantiquark, en particulier pour les masses intermediaires s, c,b)pour verifier leur coherence avec Modele Standard ou detecter uneincoherence signalant de la physique au-dela du MSne pas se tromper sur la signification statistique des resultats !












. . . et aussi un defi sociologique

Specialisation importante entre theoriciens et experimentateursTheo: concepts math et phys avances (theorie quantique champs)Exp: chacun maıtrise un aspect d’un detecteur (big science)

Taille des equipes, moyens humains et techniques differentsBesoin numeriques importants (traitement des donnees,simulations des detecteurs, calcul numerique theorique)

Interaction essentielle, mais langages et approches differents


. . . et aussi un defi sociologique

Specialisation importante entre theoriciens et experimentateursTheo: concepts math et phys avances (theorie quantique champs)Exp: chacun maıtrise un aspect d’un detecteur (big science)

Taille des equipes, moyens humains et techniques differentsBesoin numeriques importants (traitement des donnees,simulations des detecteurs, calcul numerique theorique)Interaction essentielle, mais langages et approches differents


CKMfitter

Equipe d’une dizaine de theoriciens et d’experimentateurs(INP/IN2P3/Univ), principalement dans des laboratoires francais

Paris, Orsay, Marseille, Annecy, Clermont-Ferrand + collab ext

combinaison statistique de l’ensemble des resultats disponibles etpertinents pour contraindre les parametres d’asymetrie CPinterpretation de deviations observees (fluctuation statistique,systematiques, veritable effet hors MS)developpement mathematiques (approches statistiques) etinformatiques (codes) lies a ce problemeresultats sur ckmfitter.in2p3.fr, mis a jour annuellement

Soutien du programmePhysique Theorique et

Interfaces


CKMfitter


Paris, Orsay, Marseille, Annecy, Clermont-Ferrand + collab extcombinaison statistique de l’ensemble des resultats disponibles etpertinents pour contraindre les parametres d’asymetrie CPinterpretation de deviations observees (fluctuation statistique,systematiques, veritable effet hors MS)developpement mathematiques (approches statistiques) etinformatiques (codes) lies a ce problemeresultats sur ckmfitter.in2p3.fr, mis a jour annuellement


Interfaces


CKMfitter


Paris, Orsay, Marseille, Annecy, Clermont-Ferrand + collab extcombinaison statistique de l’ensemble des resultats disponibles etpertinents pour contraindre les parametres d’asymetrie CPinterpretation de deviations observees (fluctuation statistique,systematiques, veritable effet hors MS)developpement mathematiques (approches statistiques) etinformatiques (codes) lies a ce problemeresultats sur ckmfitter.in2p3.fr, mis a jour annuellement


InterfacesS. Descotes-Genon (LPT) Antimatiere, theorie et interfaces num. 31/10/18 9

Statistique 101

Analyse frequentiste (version generique de l’analyse en χ2)observables X qui dependent de parametres χtest statistique: accord entre donnees et theorie T (X ;χ)

p-value p(χ): probabilite d’avoir T (X ;χ) > T (Xobs;χ)

permet de determiner des intervalles de confiance, si p-valuepossede de bonnes proprietes statistiques

-4 -2 0 2 4μ

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0p value

-4 -2 0 2 4μ

1

2

3

4

5

Significance

(Gaussian units)

p-value pour µ, sous l’hypothese X = µ avec la mesure Xobs = 0± 1


Statistique 10101

Analyse plus compliquee pour asymetrie CPmesures en terme d’une fonction de likelihood LX (χ), probabilited’observer les donnees X pour valeur particuliere de χ = (µ, ν)

parametres d’interet (asymetrie particule-antiparticule) µparametres de nuisance (interaction forte, autres params MS) ν

T (X ;µ) = −2 logMaxνLX (µ, ν)

Maxµ,νLX (µ, ν)=⇒ p(µ) =⇒ µ ∈ [. . . , . . .]@ 68%

comment batir la p-value a partir de differentes contraintes (horscas Gaussien) ?comment eliminer les parametres de nuisance (minimisation) ?comment traiter erreurs theoriques, syst exp (pas d’origine stat) ?comment verifier la couverture des intervalles (signification stat) ?


Statistique 10101

Analyse plus compliquee pour asymetrie CPmesures en terme d’une fonction de likelihood LX (χ), probabilited’observer les donnees X pour valeur particuliere de χ = (µ, ν)

parametres d’interet (asymetrie particule-antiparticule) µparametres de nuisance (interaction forte, autres params MS) ν

T (X ;µ) = −2 logMaxνLX (µ, ν)

Maxµ,νLX (µ, ν)=⇒ p(µ) =⇒ µ ∈ [. . . , . . .]@ 68%

comment batir la p-value a partir de differentes contraintes (horscas Gaussien) ?comment eliminer les parametres de nuisance (minimisation) ?comment traiter erreurs theoriques, syst exp (pas d’origine stat) ?comment verifier la couverture des intervalles (signification stat) ?


Hic sunt leones. . .

(deg)α

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

pv

alu

e

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Summer 18

CKMf i t t e r

data (WA)ρρ→B

data (WA)ππ→B

Dalitz data (WA)0)πρ(→

0B

Combined

CKM fit

]9

) [10µµ→s

Br(B

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

pv

alu

e

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Summer 18

CKMf i t t e r

s m∆NNLO w/o

NNLO pred

LHCb+CMS

nombreux parametres de nuisancedes erreurs theoriques, des systematiques experimentalesdistributions non-gaussiennes. . .


Outils numeriques

Code Fastfitter: approche generale de minimisation en 2 etapesCalcul des derivees et simplification par outil de calcul symbolique,sous forme de packages modulaires (mathematica)Generation de code specifique du χ2 pour l’analyse en cours, avecles seules observables pertinentes (fortran/C++)

Etudes specifiques pour les cas fortement non-gaussiensTest de couverture statistique/choix de l’approche optimale pour lesparametres de nuisances (calcul de la p-value par Monte-Carlo)Generation d’une p-value utilisable pour les analyses globales

Utlisation du centre de calculde l’IN2P3 (Lyon) et declusters locauxCKMlive: Interface en lignepour exploiter le code pourdes analyses a la carte defacon transparente


Outils numeriques





Outils numeriques





La coherence du Modele Standard

γ

γ

α

α

dm∆

Kε

Kε

sm∆ & dm∆

SLubV

ν τubV

bΛ

ubV

βsin 2

(excl. at CL > 0.95)

< 0βsol. w/ cos 2

exc

luded a

t CL >

0.9

5

α

βγ

ρ

1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

η

1.5

1.0

0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

excluded area has CL > 0.95

Summer 18

CKMf i t t e r

|Vud |, |Vus||Vcb|, |Vub|SL

B → τν|Vub/Vcb|Λb

∆md , ∆msεK

sin 2β, α, γ

A = 0.840+0.006−0.020

λ = 0.2247+0.0003−0.0001

ρ = 0.158+0.010−0.007

η = 0.349+0.010−0.007

(68% CL)

Coherence et accord des mesures avec Modele StandardS. Descotes-Genon (LPT) Antimatiere, theorie et interfaces num. 31/10/18 14

Une lente progression vers la precision

dm6

K¡

K¡

sm6 & dm6

ubV

_

à

l-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

d

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5excluded area has CL > 0.95

1995

CKMf i t t e r

dm6

K¡

K¡

sm6 & dm6

ubV

`sin 2

_

à

l-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

d

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0


Summer 2001

CKMf i t t e r

_ _

dm6

K¡

K¡

sm6 & dm6

ubV

`sin 2

_

à

l-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

d

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0


2004

CKMf i t t e r

1995 2001 2004

a

a

_

_

dm6

K¡

K¡

sm6 & dm6

ubV

`sin 2

(excl. at CL > 0.95) < 0`sol. w/ cos 2

excluded at CL > 0.95

_

à

l-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

d

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0


2006

CKMf i t t e r

a

a

_

_

dm6

K¡

K¡

sm6 & dm6

ubV

`sin 2

(excl. at CL > 0.95) < 0`sol. w/ cos 2

excluded at CL > 0.95

_

à

l-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

d

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0


2009

CKMf i t t e r

γ

γ

α

α

dm∆

Kε

Kε

sm∆ & dm∆

ubV

βsin 2

(excl. at CL > 0.95)

< 0βsol. w/ cos 2

exc

luded a

t CL >

0.9

5

α

βγ

ρ

1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

η

1.5

1.0

0.5

0.0

0.5

1.0

1.5


Summer 18

CKMf i t t e r

2006 2009 2018


CKM ?Asymetrie CP du Modele Standardpour les quarks decrite par

C abibboK obayashi

M askawa(prix Nobel 2008)

en lien avec l’existence de 3familles de fermions

Plots CKMfitter: cours Nobelde Kobayashi-san,couverture du Particle DataBook pour le 50emeanniversaire, revues devulgarisation et livres. . .


CKM ?Asymetrie CP du Modele Standardpour les quarks decrite par

C abibboK obayashi

M askawa(prix Nobel 2008)

en lien avec l’existence de 3familles de fermions

Plots CKMfitter: cours Nobelde Kobayashi-san,couverture du Particle DataBook pour le 50emeanniversaire, revues devulgarisation et livres. . .


Quelques perspectives au-dela

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0pvalue


2013

CKMf i t t e r

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0pvalue


Stage I

CKMf i t t e r

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0pvalue


Stage II

CKMf i t t e r

2013 Etape I (' 2020) Etape II (' 2025)

prospective pour sonder physique au-dela du Modele Standard enetudiant la propagation des mesons Bs (bs) et Bs (bs)contraintes sur la magnitude et la phase (hs, σs) compares auModele Standard (1,0) en tenant compte des progres th et expsonder des energies jusqu’a 1000 fois celles du LHC par deseffets quantiques (etats intermedaires virtuels tres massifs)

participation aux prospectives sur prochaines generations d’exp


Quelques perspectives au-dela

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

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1.0

1.5

2.0

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3.0

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2013

CKMf i t t e r

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

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Stage I

CKMf i t t e r

sh0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

sσ

0.0

0.5

1.0

1.5

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2.5

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0.3

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0.5

0.6

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0.8

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1.0pvalue


Stage II

CKMf i t t e r

2013 Etape I (' 2020) Etape II (' 2025)

prospective pour sonder physique au-dela du Modele Standard enetudiant la propagation des mesons Bs (bs) et Bs (bs)contraintes sur la magnitude et la phase (hs, σs) compares auModele Standard (1,0) en tenant compte des progres th et expsonder des energies jusqu’a 1000 fois celles du LHC par deseffets quantiques (etats intermedaires virtuels tres massifs)participation aux prospectives sur prochaines generations d’exp


Pour la suite ?

Inspiration pour d’autres analyses en physique des saveursLHCb: desintegrations rares du quark b (b → s``, b → c`ν) avecdes differences (non MS) pour ` = e, µ et τ ?combiner ces obs pour verifier la coherence des deviationsidentifier des theories au-dela du MS capable de les expliquer

Analyses combinees des contraintes venant du LHC (et d’ailleurs !)Etude des proprietes du boson de HiggsAnalyse globale des (19) parametres du Modele StandardContraintes sur les deviations issue d’une theorie a plus hauteenergie englobant le Modele Standard

Outils et concepts developpes particulierement utilespour les donnees actuelles et a venir (LHC, Belle. . . )


Documents

De l'autre côté du miroir, un bref voyage au pays de l