Prospectives de Découverte et de Mesure de la Supersymétrie

Dirk Zerwas

LAL-Orsay

Pour le groupe de travail “Origine de la Masse”

La Colle sur Loup

11 Octobre 2004

• Introduction

• Les bosons de Higgs

• Les particules supersymétriques

• Conclusions

Scénario:Supersymétrie assezlégère pour être détectée

Introduction

3 bosons de Higgs neutres: h, A, H1 paire de boson de Higgs chargé: H±

et des particules supersymétriques:

spin-0 spin-1/2 spin-1Squarks:

qR, qL

q

Gluino: g g

Sleptons:

ℓR, ℓL

ℓ

h,H,A Neutralino χi=1-4

Z, γ

H± Charginos:χ±

i=1-2 W±

~~

~~

Les paramètres du secteur de Higgs:• mA : masse du pseudoscalaire• tanβ: rapport valeurs moyennes dans le vide• masse du top • secteur du stop (tR, tL): masses et mélange

~

~ ~

Limite théorique:mh 140GeV/c2

Des modèles supersymétriques:• MSSM (extension minimale du MS)• mSUGRA (supergravité minimale)• GMSB• AMB• NMSSM

R-parité conservée• production de particules SUSY en paires• désintégration jusqu’à la sparticule la plus legère• LSP stable et neutre: neutralino (χ1)• signature classique: ET manquante

Les bosons de Higgs

Hypothèse:particules SUSY plus lourdes que bosons de Higgs mêmes modes de production et de désintégration que MS des Higgs neutres (Jean-Claude Brient) couplages modifiés tenir compte du rapport d’embranchement modifié recherche dans le plan mA/tanß

Recherche au Tevatron:Exclusion: couverture du plan avec 10fb-1

Découverte: il reste beaucoup à faire!

Les bosons de Higgs au LHCLes bosons de Higgs lourds ouvrent d’autres canaux:Les couplages HWW, HZZ décroissent avec tanβA/Hbb, A/Hττ, A/Hμμ augmentent avec tanβ

L’héritage de LEP:tanβ petit est exclu

t b H , H τν

h γγ(Jean-Claude)

Recherche deA/H μμ, ττ

tth, h bb(Jean-Claude)

Identification desτ importante

m(A) ~ m(H) ~ m(H±) à grand tanβ A, H, H± section efficace: ~ tanβ

Précision attendue:Canal μμ: 0.1-2%Canal ττ 1-12%

L’an 2015: plusieurs bosons de Higgs visibles, mais pas partout! Comment savoir si on a un boson de Higgs standard ou SUSY?

SLHC:Permet de réduirela région avec un seul boson de Higgsavec sa grande luminosité integrée typiquement 50GeV/c2 sur mA

ILC:Le boson de Higgs le plus légersera détecté et mesuré.jusqu’à mA=700GeV/c2

la mesure de rapport d’embranchements permetde distinguer le boson de Higgs (MS)du boson de Higgs (SUSY) 95% CL

= gb

gbSM

mh=120GeV/c2

ILCLHC

Les bosons de Higgs au ILC

Production via Higgs Strahlung:σ(e+e- Z+ h/H ) = sin2/cos2(β-α) σMS

Production associéeσ(e+e- A+ h/H ) = cos2/sin2(β-α) λσMS

Complementarité Higgs-Strahlung/prod ass.

Bonne reconstruction de la massebbbb 0.2-0.4% avec 50fb-1

HZ petit tanβ

HA petit tanβ

HA grand tanβ

HZ grand tanβ

Test de cohérence: mesure indirecte mesure directe

5% via BR

σ(fb)

M(GeV/c2)

Les Sparticules entrent en jeu!

Au LHC:Les bosons de Higgs peuvent aussi être detectés et mesurés dans les désintégrations en cascades(exemple de CMS)

Est-ce qu’on peut rater un boson de Higgs?

Un cas difficile:Désintégration h en χ1 χ1

ILC:e+e- h Z χ1 χ1 μ μχ1 invisiblemesure de la masse de recul au Z!précision attendue:BR invisible supérieur à 2%erreur sur la masse: 20% au moins un boson de Higgssera observé et mesuré au ILC

Les particules supersymétriques

Collisionneurs hadroniques: • squark et gluinos• section efficace importante (pb)• multijet• ET manquante

Tevatron (2fb-1):• squarks et gluinos (mSUGRA) 400GeV/c2

• χ2χ ℓ ℓ ℓ ν χ1χ1 180GeV/c2

• sbottom, stop 200GeV/c2

LHC:• Squark et gluino: 2.5TeV/c2

SLHC:• Squark et gluino: 3TeV/c2

Gluino2.5TeV/c2

Squark2.5TeV/c2

100fb-1

10fb-1

Cascade centrale: qL q χ2 qℓR ℓ q ℓχ1 ℓ

les “endpoints” de masses invariantesjet-lepton, lepton-lepton, lepton-lepton-jet contiennent de l’information sur les différences de masses.

Mχ1 = 96.2 ±5.6GeV ( 96.1GeV) MqL = 543.3±9.6GeV (537.3GeV)Mχ2 = 176.9±5.5GeV (176.8GeV) M ℓR = 143.1±5.7GeV (143 GeV)

Mesure de masses au LHC~ ~

• précision “diff de masse” ~%• échelle d’énergie e,μ 0.1%• échelle d’énergie jets 1%

mℓℓmax = 77.024 ±0.042 ±0.08

mℓℓq

edge = 431.3 ± 2.4 ± 4.3

mℓℓqthr = 204.6 ± 2.8 ± 2.0

m ℓfq

max = 379.4 ± 1.8 ± 3.8 m ℓq

min = 300.8 ± 1.5 ± 3.0

après ajustement

• bon accord • forte corrélation des masses

(100fb-1)

Technique 2:Variation de l’énergie du collisionneur• scan du seuil de production de sparticules• mesure de la section efficace ~β3=(1-(4m2/s))3

• précision: qq ‰ • prix à payer: luminosité à haute énergie

ILC: Mesure des propriétés

Exemple: e+e- μR μR μ χ1 μ χ1

Mais techniques assez générales

~ ~

Technique 1:• énergie leptonique • seuils min-maxMasses slepton et neutralino• précision: qq ‰ • limitation: les τ

bdf

s

σ (fb)

s=400GeV200fb-1

10fb-1/point

2mμ ~

ILC SUSY: au delà des masses

Comment prouver qu’il s’agit de la supersymetrie? mesurer l’angle de production (e.g. μR) distribution: ~sin2θ accord prédiction spin-0

La polarisation des faisceaux:• eReL voies t et s• permet d’annuler voie-s• donc teste de nb quantique “R” et “L” via la charge!

Polarisation des faisceaux• sensibilité au contenu en champs desneutralinos et charginos• P(e+)=0.8, P(e-)=0.6• σ(e+e- χ2χ1 e+e-χ1χ1)

~

~ ~

Complementarité LHC/ILC

Comment évaluer l’impact relatifdu LHC et ILC?

LHC/LC Study Group (Weiglein)(aussi GDR-SUSY,Ecole des Houches 2003) • choix d’un jeu de paramètres• analyses LHC, ILC• faire des analyses combinées

Jeu de paramètres:• masse scalaire m0=100GeV/c2

• masse jaugino m1/2=250GeV/c2

• tanβ=10• A0=-100GeV/c2

• parametre μ = +

Le spectre favorise les deux machines Higgs compatible LEPSquarks, gluinos facilement accessibles LHCχ2 ττ 87%χ τν 100%~

~

Dans la pratique:

LHC+ILC:Utilisation de la masse LSP du ILCdans des analyses LHC réduit l’erreure.g. sdown 1.5%

LHC:mesurera avec précision %e.g. sdown 3% pb: charginos et neutralinos pas tous

ILC:mesurera avec précision ‰e.g. smuon 1.3 ‰ pas de gluinos, squarks (à part stop)

aussi intéressant que les masses sont les paramètres fondamentaux:

Approche Top-Down:ajustement mSUGRA

SPS1a ΔLHC ΔILC ΔLHC+ILC

m0 100 4.0 0.09 0.08

m1/2 250 1.8 0.13 0.11

tanβ 10 1.3 0.14 0.14

A0 -100 31.8 4.43 4.13

LHC: premières mesuresILC: amélioration ordre de grandeur

MSSM

ajustement du MSSM:approche bottom-up24 paramètres à l’échelle électrofaible

LHC ou ILC:• certains paramètres doivent être fixésLHC+ILC:• ajustement de tous les paramètres• améliorations de plusieurs paramètres

Caveat:• erreurs LHC ~ erreurs théoriques• erreurs ILC << erreurs théoriquesSPA project: amélioration prédictionsthéoriques

LHC ILC LHC+ILC

Extrapolation à la grande échelle!

Détermination de tous les paramètres MSSM à l’ échelle électrofaible: extrapolation à l’échelle GUT!L’unification des couplages αi à LEP dans le passédans le futur: unification des masses de brisure douce?

B. Allanach et al: extrapolation avec précision possible uniquement avec la combinaison de LHC et ILC

Q (GeV) Q (GeV)

1/Mi

(GeV-1) Mi: masses de brisure jaugino D3,Q3,U3,E3,L3: termes de brisure douce des sfermions

M2

(103GeV2)

Conclusions

• Les bosons de Higgs

• exclusion du plan mA/tanβ possible avec le TeVatron

• le LHC verra au minimum un, peut-être plusieurs bosons de Higgs

• ILC: verra au moins un boson de Higgs et mesurera plus précisement des rapports d’embranchement (SUSY/non-SUSY)

• Les particules supersymétriques

• ET manquante plus multijets au Tevatron (400GeV/c2) et LHC (2.5TeV/c2)

• premières mesures de masses des sparticules avec le LHC

• amélioration de précision (ordre de grandeur) et ajout de sparticules “manquantes” par l’ILC

Si la supersymétrie est réalisée dans la nature et si les sparticules sont raisonnablement légères, LHC et ILC ensemble permettront d’étudier en détail la théorie!

Liens avec la Cosmologie

Après WMAP: 0.0094 < ΩMh2 = nLSPmLSP< 0.129

LSP (neutralino) est candidat pour la matière noire

P.Janot, Moriond

Faible différence de masse Stau-LSP:ILC: précision %

m0

m 1/2

Quelques points particulièrement difficile (M,F,K):Squarks 2.5-4TeV/c2

Sleptons 1-3.5TeV/c2

Neutralinos >500GeV/c2

SPS1a:mesure LHC3% densité relique