LPSC - Grenoble Julien MOREL 1Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Recherche de nouveaux bosons de jauge Recherche de nouveaux bosons de jauge provenant de dimensions supplémentaires avec provenant de dimensions supplémentaires avec

le détecteur ATLASle détecteur ATLAS

Julien MOREL

ATLAS Exotic groupLPSC - Grenoble

Journées Jeunes Chercheurs – La Rochelle - 2006Journées Jeunes Chercheurs – La Rochelle - 2006

LPSC - Grenoble Julien MOREL 2Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

PlanPlan

Un peu de théorieUn peu de théorie … …

Un peu d’expérience …Un peu d’expérience …

Un peu d’analyse …Un peu d’analyse …

Un peu de résultats …Un peu de résultats …

Un peu de conclusion … et de perspectives !Un peu de conclusion … et de perspectives !

LPSC - Grenoble Julien MOREL 3Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Le modèle standard en théorie …Le modèle standard en théorie …

Théorie de jauge : Théorie de jauge : SU(3)C SU(2)L U(1)Y

ForteQCD

8g

Faible et électromagnetiqueThéorie électrofaibleW+,W-,Z,

La théorie électrofaibleLa théorie électrofaibleGlashow, 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,

Le mécanisme de HiggsLe mécanisme de HiggsHiggs explique la masse des particules en introduisant un nouveau champ dans la théorie. Il en résulte l’existence d’un boson de Higgs.

NOBEL

NOBEL

en 79en 79

Dans les années 1965 :Dans les années 1965 :

LPSC - Grenoble Julien MOREL 4Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

e e

Le modèle standard en pratique…Le modèle standard en pratique…

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 électriqueN’inclut pas la gravitation …

Découverte des bosons W+,W- et Z Ou? CERN (SPS)Quand ? 1982

Découverte du quark topOu ? TeVatron Quand ? 1995

Chainon manquant : le boson de HiggsOu ? CERN (LHC) ????Quand ? 2008 ????

NOBEL

NOBEL

en 84en 84

?? NOBEL

?? NOBEL

en 2010 ??

en 2010 ??

Evénement ZEvénement Zee++ee-- à UA2 sur le SPS au à UA2 sur le SPS au CERN à l’automne 1982CERN à l’automne 1982

LPSC - Grenoble Julien MOREL 5Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Le LHC devra découvrir la physique au delà du modèle standardLe LHC devra découvrir la physique au delà du modèle standard

La Super SymétrieLa Super SymétrieIntroduction d’une nouvelle symétrie Fermions-Bosons

Solution au problème de la hiérarchie (Annulation des divergences)

Les théories de grande unificationLes théories de grande unificationDescription des forces fondamentales par la même théorie de jauge

Les théories à dimensions supplémentairesLes théories à dimensions supplémentairesIntroduction de dimensions supplémentaires spatialesSolution au problème de la hiérarchie (en abaissant l’échelle de Planck)Principalement deux types de modèles (ADD, RS)

……

Plusieurs extensions possibles …Plusieurs extensions possibles …Parmi elles :Parmi elles :

Dans la suite de cet exposé nous nous intéresserons principalement à un Z’ provenant d’un modèle à

dimensions supplémentaires de type RS

Dans la suite de cet exposé nous nous intéresserons principalement à un Z’ provenant d’un modèle à

dimensions supplémentaires de type RS

Z’Z’

Z’Z’

LPSC - Grenoble Julien MOREL 6Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-SundrumModèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum

t

u

Brane de Planck

Brane du TeV(notre espace 4D)

Modèle originalModèle original de RS 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 4DPermet une réduction de l’échelle de Planck (cf facteur de déformation)

Modèle de RS avec matière dans le bulk Modèle de RS avec matière dans le bulk

Dans ce modèleDans ce modèleLes 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

Il fournitIl fournitUne nouvelle interprétation de la hiérarchie

de masse des fermionsDes candidats pour la matière noire

(excitation de KK des particules)

[ G.Moreau, J. I. Silva-Marcos, hep-ph/0602155 (2006)]

LPSC - Grenoble Julien MOREL 7Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Modèle à dimensions supplémentaires de type Randall-SundrumModèle à dimensions supplémentaires de type Randall-Sundrum

22 2k yds e dx dx dy

5 4 4 ckRD D DPl Pl PlM e M wM

t

u

Métrique à 5D :Métrique à 5D :

Masse de Planck :Masse de Planck :

Facteur de déformation

Dimension supplémentaire compacte (finie)

Les excitations de Kaluza-KleinLes excitations de Kaluza-Klein

Etats quantiques supplémentaires

(discrets)

Etat fondamental = particule MSEtats excités = excitations de KKVisibles comme des nouvelles particules dans notre espace 4D

On s’intérresse à la 1ère excitation KK du Z/ = Z’ RS

Le Z’ se couple aux mêmes particules que le Z/ :

les 3 processus /Z/Z’ vont interférer

LPSC - Grenoble Julien MOREL 8Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

1

10

210

310

410

Masse invariante dilepton (GeV)

Nom

bred’

évnt

s

Signature expérimentaleSignature expérimentale

, ,u d s

, Z, ,u d s

f

f

Dans un collisionneur hadroniqueDans un collisionneur hadronique Décroissance hadronique : Décroissance hadronique : rapport signal / bruit très faible

Décroissance leptonique : Décroissance leptonique : Faible bruit physique (processus rares)

Processus Drell-Yan

Canal leptonique privilégiéCanal leptonique privilégié

Expérimentalement, on s’intéresse au spectre de masse invariante des deux leptonsExpérimentalement, on s’intéresse au spectre de masse invariante des deux leptons

Processus DY/qq Z e e

Z sur couche de masseqq Z e e Le Z est visible sous la forme d’une

résonance à 91.2 GeV (masse du Z)91.2 GeV (masse du Z)

de largeur 2.5 GeV (largeur du Z)2.5 GeV (largeur du Z)

Un Z’ serait visible sous la Un Z’ serait visible sous la forme d’une nouvelle résonanceforme d’une nouvelle résonance

Z’ hypothétique'qq Z e e

, 'Z

/ / 'Zqq Z e e

LPSC - Grenoble Julien MOREL 9Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Signature expérimentaleSignature expérimentale

Les expériences du TeVatron ont déjà contraint l’existence de Z’ Les expériences du TeVatron ont déjà contraint l’existence de Z’

Le TeVatron pourra sonder un Z’ jusqu’à une masse de l’ordre de 1TeV en recherche directe

Limites actuelles sur la masse des Z’Limites actuelles sur la masse des Z’

Z’ provenant de GUTZ’ provenant de GUTMZ’ 800 GeV Recherche direct au TeVatron

Z’ provenant de Dim. Supp.Z’ provenant de Dim. Supp.MZ’ 3 TeV Mesures de précision au LEP

Mesures Théorie

LPSC - Grenoble Julien MOREL 10Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Et avec le détecteur ATLAS … ?Et avec le détecteur ATLAS … ?

Grenoble à participé à la construction du EM Cal.

Très bonne résolution sur l’énergie des électrons (1% à 500 GeV)

La calorimétrieLa calorimétrie

Bon calorimètre Bon calorimètre électromagnétiqueélectromagnétique

Canal leptonique Canal leptonique privilégiéprivilégié

A Grenoble, on s’intéresse au A Grenoble, on s’intéresse au processus pp processus pp Z’ Z’ee++ee--++ ==

-0.1 -0.08-0.06-0.04-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200Entries = 3202

/ (GeV)E E

LPSC - Grenoble Julien MOREL 11Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Comment identifier un candidat Z’ dans le détecteur ?Comment identifier un candidat Z’ dans le détecteur ?

Critères d’identification nécessaires Critères d’identification nécessaires

Au moins deux candidats électrons dans la partie centrale du calorimétre ||< 2.5Ces deux candidats sont identifiés comme électronsCes deux électrons ont une charge opposée (électron + positron)Cette paire électron/positron est dos à dos dans le plan transverse

600 800 1000 1200 1400 16000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2 Cut efficiencies2 gene elec with |eta|<2.52 reco elec.Electrons back to back2 elec with opp ch.IsEm=0

On reconstruit un événement sur deuxOn reconstruit un événement sur deux

100%

Z’Gene) / MZ’Reco - M

Z’Gene(M

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 -0 0.05 0.1 0.15 0.20

200

400

600

800

1000

Entries=8819Mean=-0.00056±0.00012Sigma=0.0099±0.0001

WithTracker

Bonne résolution sur la masse du Z’ Bonne résolution sur la masse du Z’

LPSC - Grenoble Julien MOREL 12Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1

10

210

310

#ev

ents

(GeV)ll

Comment savoir s’il existe un Z’Comment savoir s’il existe un Z’RSRS ? ? Simulation

Processus DY (Z/ du modèle standard sans Z’ RS)Processus avec Z’ (/Z/Z’RS ) MZ’ = 3 TeV Si l’on considère un Z’Si l’on considère un Z’RSRS, il apparait , il apparait

deux effets :deux effets :Une nouvelle résonnance qui définie la masse et la largeur du Z’(excès d’événements)

Pour calculer le potentiel de découverte d’un Z’Pour calculer le potentiel de découverte d’un Z’RSRS avec ATLAS, on avec ATLAS, on

procède à un comptage d’évènements. procède à un comptage d’évènements.

Une interférence avec le processus DY du MS Dans le cas d’un Z’RS l’interférence est destructive.(défaut d’événements)

Il faut veiller à ce que Il faut veiller à ce que ces deux effets ne se ces deux effets ne se

compensent pascompensent pas

Il faut veiller à ce que Il faut veiller à ce que ces deux effets ne se ces deux effets ne se

compensent pascompensent pas

LPSC - Grenoble Julien MOREL 13Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

3 4 5 6 7 8 9 1090

92

94

96

98

100

102

104

Potentiel de découvertePotentiel de découverte

/ / '

(fb)

qq Z Z e e

Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours l’interférence destructivel’interférence destructive

Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours Si le Z’ est trop lourd on ne voit plus la résonance mais on détecte toujours l’interférence destructivel’interférence destructive

Section efficace intégrée au delà de MSection efficace intégrée au delà de M llll >500 GeV >500 GeV

Effet du à la résonance / / ' /Z Z Z

Effet du à l’interférence destructive / / ' /Z Z Z

MZ’ en TeV

/ Z/ / 'Z Z

LPSC - Grenoble Julien MOREL 14Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Potentiel de découvertePotentiel de découverte

Pour calculer le potentiel de decouverte d’un tel Z’ à ATLAS, il nous faut :

L’efficacite du detecteur )

La section efficace (Z’)

La section efficace du DY (DY)

Une convention pour la signification statistique (S12)

/ / 'qq Z Z e e

Nous utilisons la convention S12 de hep-ph/0204326 (réaliste):

12

'Signal + Bruit de fond

Bruit de fond

Z

DY

S S B B

S B Ldt

B Ldt

On demande |S12| > 5 pour une découverteOn demande |S12| > 5 pour une découverte

LPSC - Grenoble Julien MOREL 15Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1

10

210

310

#ev

ents

(GeV)ll

Potentiel de découvertePotentiel de découverte

Lors du comptage d’événement, il ne faut pas que “l’interférence Lors du comptage d’événement, il ne faut pas que “l’interférence masque la résonance”. masque la résonance”. On calcule S12 dans deux régions du spectre de masse :

Dans la région de la résonanceAu delà de M1

Dans la région de l’interférenceEntre 500 Gev et M1

Défaut d’événementDéfaut d’événement 12 0S Excès d’événementsExcès d’événements 12 0S

Le paramètre M1 représente les limites d’intégration

M1 est choisi indépendament du modèle :

1

15 eventss

DY

s M

d

ds

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 M1

Processus DYProcessus avec Z’ Z//Z’RS

LPSC - Grenoble Julien MOREL 16Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100003000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-2

0

2

4

6

8S12

Mz’ (GeV)

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100003000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-5

0

5

10

15

20

25

30

S12

Mz’ (GeV)

Potentiel de découverte d’un Z’ de RS avec matière dans le bulkPotentiel de découverte d’un Z’ de RS avec matière dans le bulk

1

1

Résonance : [ ; ]

Interférence : [500; ]

e ell

e ell

M M

M M

Lumi = 10 fbLumi = 10 fb-1-1

MM11 = 1070 GeV = 1070 GeV

1

1

Résonance : [ ; ]

Interférence : [500; ]

e ell

e ell

M M

M M

Lumi = 100 fbLumi = 100 fb-1-1

MM11 = 1730 GeV = 1730 GeV

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100003000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-10

0

10

20

30

40

50S12

Mz’ (GeV)

1

1

Résonance : [ ; ]

Interférence : [500; ]

e ell

e ell

M M

M M

Lumi = 300 fbLumi = 300 fb-1-1

MM11 = 2320 GeV = 2320 GeV

ATLAS peut découvrir un tel Z’ATLAS peut découvrir un tel Z’RSRS jusqu’à 4,5 TeV avec 100 fb-1 jusqu’à 4,5 TeV avec 100 fb-1

LPSC - Grenoble Julien MOREL 17Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

On a étudié le potentiel de découverte d’ATLAS pour On a étudié le potentiel de découverte d’ATLAS pour différents Z’différents Z’

Théories de dimensions supplémentaires (ADD, RS)Théories de grande unificationUtilisation de différentes observables (Masse invariante, asymétrie

avant-arrière)

Il va falloir penser à étudier le détecteur …Il va falloir penser à étudier le détecteur …résolution en énergie (en cours)linéarité du calorimètre (en cours)les triggers…

S’il existe un Z’ en deçà de 5 TeV, on devrait s’en rendre S’il existe un Z’ en deçà de 5 TeV, on devrait s’en rendre compte...compte...

LPSC - Grenoble Julien MOREL 18Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Entries=376

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

1

10

210

Dilepton invariantmass(GeV)

Data set and Athena versionData set and Athena version

We use We use ::Athena versionAthena version : 11.0.41ProcessProcess : Z’e+e- at 1TeV (Mll > 500 GeV)Data SetData Set : csc11.005605.Zprime_ee_pythia_chi1000.recon.AOD.v11004205Number of eventsNumber of events : 24000 Z’Cross sectionCross section = 376.5 fb

Signal visible with 1 fbSignal visible with 1 fb-1-1

Entries = 38

600 800 1000 1200 1400 1600

1

10

Dilepton invariant mass (GeV)

-10.1 fb

Entries = 38

Ldt -11 fb

Entries = 377

Ldt

LPSC - Grenoble Julien MOREL 19Recherche d’un 'Z e e avec ATLAS

Théorie Expérience Analyse Résultats Conclusion

Et le Large Hadron Collider …Et le Large Hadron Collider …

The installation of the LHC's magnets is progressing rapidly

LHC will start in 2007 with 450 GeV per beam

7 TeV per beamInstantaneous luminosity = 1033 cm-2 s-1 (low lumi)

= 1034 cm-2 s-1 (high lumi)

2008 :

The beam pipe The beam pipe closure date will be closure date will be

August 2007 August 2007