Prospectives de D é couverte et de Mesure de la Supersym é trie

1. 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 assez légère pour être détectée

2. Introduction 3 bosons de Higgs neutres: h, A, H 1 paire de boson de Higgs chargé: H± et des particules supersymétriques: • 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

3. 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!

4. Les bosons de Higgs au LHC Les bosons de Higgs lourds ouvrent d’autres canaux: Les couplages HWW, HZZ décroissent avec tanβ A/Hbb, A/Hττ, A/Hμμ augmentent avec tanβ m(A) ~ m(H) ~ m(H±) à grand tanβ A, H, H± section efficace: ~ tanβ Recherche de A/H  μμ,ττ t  b H , H τν tth, h  bb (Jean-Claude) L’héritage de LEP: tanβ petit est exclu Identification des τ importante Précision attendue: Canal μμ: 0.1-2% Canal ττ 1-12% h γγ (Jean-Claude)

5. 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 réduire la région avec un seul boson de Higgs avec sa grande luminosité integrée typiquement 50GeV/c2 sur mA gb mh=120GeV/c2 = gbSM ILC LHC ILC: Le boson de Higgs le plus léger sera détecté et mesuré. jusqu’à mA=700GeV/c2 la mesure de rapport d’embranchements permet de distinguer le boson de Higgs (MS) du boson de Higgs (SUSY) 95% CL

6. Les bosons de Higgs au ILC HZ petit tanβ Production via Higgs Strahlung: σ(e+e- Z+ h/H ) = sin2/cos2(β-α) σMS Production associée σ(e+e- A+ h/H ) = cos2/sin2(β-α) λσMS Complementarité Higgs-Strahlung/prod ass. HZ grand tanβ σ(fb) HA petit tanβ HA grand tanβ M(GeV/c2) Bonne reconstruction de la masse bbbb 0.2-0.4% avec 50fb-1 5% via BR Test de cohérence: mesure indirecte  mesure directe

7. Les Sparticules entrent en jeu! Est-ce qu’on peut rater un boson de Higgs? Au LHC: Les bosons de Higgs peuvent aussi être detectés et mesurés dans les désintégrations en cascades (exemple de CMS) • Un cas difficile: • Désintégration h en χ1 χ1 • ILC: • e+e- h Z χ1 χ1 μ μ • χ1 invisible • mesure de la masse de recul au Z! • précision attendue: • BR invisible supérieur à 2% • erreur sur la masse: 20% • au moins un boson de Higgs sera observé et mesuré au ILC

8. 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 100fb-1 Gluino 2.5TeV/c2 10fb-1 Squark 2.5TeV/c2 • SLHC: • Squark et gluino: 3TeV/c2 • LHC: • Squark et gluino: 2.5TeV/c2

9. Mesure de masses au LHC ~ ~ Cascade centrale: qL q χ2 qℓR ℓ qℓχ1 ℓ les “endpoints” de masses invariantes jet-lepton, lepton-lepton, lepton-lepton-jet contiennent de l’information sur les différences de masses. après ajustement mℓℓmax = 77.024 ±0.042±0.08 mℓℓqedge= 431.3 ± 2.4± 4.3 mℓℓqthr = 204.6 ± 2.8 ± 2.0 mℓfqmax = 379.4 ± 1.8 ±3.8 mℓqmin = 300.8 ± 1.5 ±3.0 (100fb-1) 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) • précision “diff de masse” ~% • échelle d’énergie e,μ 0.1% • échelle d’énergie jets 1% • bon accord • forte corrélation des masses

10. ILC: Mesure des propriétés ~ ~ Exemple: e+e-μRμRμ χ1μ χ1 Mais techniques assez générales • 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: luminositéà haute énergie s=400GeV 200fb-1 σ (fb) 10fb-1/point • Technique 1: • énergie leptonique • seuils min-max • Masses slepton et neutralino • précision: qq ‰ • limitation: les τ 2mμ ~ bdf s

11. 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 des • neutralinos et charginos • P(e+)=0.8, P(e-)=0.6 • σ(e+e- χ2χ1 e+e-χ1χ1)

12. Complementarité LHC/ILC Comment évaluer l’impact relatif du 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 = + Higgs compatible LEP Squarks, gluinos facilement accessibles LHC χ2ττ 87% χ τν 100% Le spectre favorise les deux machines ~ ~

13. Dans la pratique: 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) LHC+ILC: Utilisation de la masse LSP du ILC dans des analyses LHC réduit l’erreur e.g. sdown 1.5% aussi intéressant que les masses sont les paramètres fondamentaux: Approche Top-Down: ajustement mSUGRA LHC: premières mesures ILC: amélioration ordre de grandeur

14. MSSM LHC ILC LHC+ILC ajustement du MSSM: approche bottom-up 24 paramètres à l’échelle électrofaible • LHC ou ILC: • certains paramètres doivent être fixés • LHC+ILC: • ajustement de tous les paramètres • améliorations de plusieurs paramètres • Caveat: • erreurs LHC ~ erreurs théoriques • erreurs ILC << erreurs théoriques • SPA project: amélioration prédictions théoriques

15. 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 passé dans le futur: unification des masses de brisure douce? 1/Mi (GeV-1) D3,Q3,U3,E3,L3: termes de brisure douce des sfermions Mi: masses de brisure jaugino M2 (103GeV2) Q (GeV) Q (GeV) B. Allanach et al: extrapolation avec précision possible uniquement avec la combinaison de LHC et ILC

16. 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!

17. P.Janot, Moriond Liens avec la Cosmologie Après WMAP: 0.0094 < ΩMh2 = nLSPmLSP< 0.129 LSP (neutralino) est candidat pour la matière noire m0 SPS1a: mesure LHC 3% densité relique Faible différence de masse Stau-LSP: ILC: précision % Quelques points particulièrement difficile (M,F,K): Squarks 2.5-4TeV/c2 Sleptons 1-3.5TeV/c2 Neutralinos >500GeV/c2 m 1/2