Alternatives

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Alternatives
Prospective DAPNIA/IN2P3 Octobre 2004

• Maarten Boonekamp, CEA-Saclay
• Groupes de travail
• Origine de la Masse Au-delà du Modèle Standard

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En résumé

• Nous avons donc les moyens dêtre prêts
• à compléter le Modèle Standard électrofaible, et
  à tester son secteur de Higgs
• à découvrir et mesurer la supersymétrie
• grâce au Tevatron, au LHC, et à un collisionneur
  linéaire dénergie ?1 TeV.

Oui, mais

• Les deux solutions proposées ci-dessus ne sont
• ni restrictives la phénoménologie peut être
  enrichie (modèles   exotiques )
• ? Pas de rapport direct avec la BSE, mais
  mhmax relâché
• ni uniques dautres mécanismes peuvent
  remplacer le mécanisme de Higgs et préserver
  lunitarité de la théorie.
• ? Rapport direct avec la BSE remise en cause
  du secteur de Higgs
• Sommes-nous prêts quoi quil arrive?

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Approche complémentaire

• Plutôt que de chercher à compléter un modèle
  cohérent mais ad-hoc, on peut se demander
• Pourquoi précisément ces champs de matière?
• Pourquoi ces interactions?
• Pourquoi cet espace-temps?
• et essayer de générer les structures connues à
  partir dune dynamique sous-jacente, de
  préférence plus unifiée.
• Vu le nombre de degrés de liberté, on comprend
  quil y ait pléthore de modèles à cette étape du
  raisonnement
• Mais tout modèle alternatif raisonnable doit
  passer le test électrofaible, et se réduire à
  SU(2)L?U(1) à basse énergie.

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Pistes pour la nouvelle physique

• Formalisme général basé sur S, T définis pour
  contenir tous les effets de la nouvelle physique
• mH100 GeV, mt175 GeV, et les relations
  électrofaibles parfaitement vérifiées
• ? S?T?0

(68 CL)
Données

mt
100
mH
Contour autorisé pour S,T ? Le  test
électrofaible 
1000

• Boson de Higgs lourd
• (voire absent) OK,

de nouvelles particules ramènent S,T dans les
limites autorisées (et préservent lunitarité)
SSI
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Pistes pour la nouvelle physique

Doublets SU(2) non-dégénérés (fermion, scalaire)
Z
Doublets SU(2) dégénérés (fermions)
mH500 GeV (exclu dans le MS)
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Remarque (triviale) nouveaux bosons vs.
nouveaux fermions

• Diffusion VV ? VV
• à haute énergie
• La ou les particules qui assurent lunitarité de
  la théorie sont nécessairement des bosons
• Bonnes raisons dattendre un Z (par exemple) aux
  alentours du TeV
• Des fermions supplémentaires libres ny jouent
  pas de rôle et nont pas de raison particulière
  dêtre légers

Spin entier!
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Nouveaux bosons de jauge

• Les W, Z apparaissent à travers
• dextensions du groupe de jauge
• E6 ? SU(3)SU(2)LU(1)U(1) ? Z
• SO(10) ? SU(2)LSU(2)RU(1) ? W, Z
• dextensions de lespace-temps
• excitations des bosons de jauge connus ? ZKK,
  WKK
• Modèles sans Higgs ces excitations, légères,
  suffisent à assurer lunitarité
• Limites récentes
• MZ gt 700 GeV, MW gt 800 GeV SSM (CDF/D0,
  direct)
• MZ gt 400-900 GeV E6, LR, 1.7 TeV SSM
  (LEP/SLD, indirect)
• Sensibilité du Tevatron 1.5 TeV
• Futur LHC 5 TeV (SLHC 6 TeV)
• ILC ?s (pour Z), ?s/2 (W, produit par
  paires)

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Nouveaux bosons de jauge

• Au LHC
• Pics en masse (Z ? ll-) ou jacobiens (W ? ln)
  jusquà 5 TeV
• Mesure significatives dasymétries jusquà 2.5
  TeV

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Nouveaux bosons de jauge

• LHC et ILC sensibilités comparées
• LHC recherche directe
• ILC mesures au pic du Z (partie foncée), et
  section efficace ee ? ff (partie claire)
• Mais linformation obtenue est en fait différente
  
• LHC mesure MZ
• ILC mesure gfL,R/MZ
• (en dessous du seuil).
• Suffit pour distinguer les modèles jusquà 5
  TeV.
• Excellente complémentarité

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Z un cas intermédiaire

• Jusquà MZ 2 TeV, ILC peut contraindre sa
  masse en fonctionnant à plusieurs énergies.
• Par exemple (ancien), pour L 70100150 pb-1 à
  ?s 500,750,1000 GeV

Avec MZ donné par LHC
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Nouveaux fermions

• Extension simple du Modèle Standard (car pourquoi
  3 générations?)
• Les groupes de grande unification prédisent le
  plus souvent des fermions supplémentaires (E6,
  SO(10), etc grands groupes ? grandes
  représentations)
• A part les contraintes électrofaibles, peu
  dindices sur leurs propriétés
• ? Perspectives modèle-dependantes (couplage aux
  générations connues)
• Quelques exemples
• Leptons lourds chargés mEgt100 GeV (LEP)
• Mélange faible ? particule quasi-stable lente
  détectable par mesure du temps de vol. LHC
  sensible jusquà 200 GeV
• Mélange fort E ? nW, ou E ? l Z, jusquà la
  limite cinématique à ILC
• Neutrinos lourds ILC peut voir ee- ? NNg
  jusquà mN150 GeV,
• ou N ? lW jusquà la limite cinématique
• Quarks de 4e génération U ? Wb, D ? Wt jusquà
  mU,D700 GeV au LHC. Détectables aussi par
  lamplification du couplage gg ? H!

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Dimensions supplémentaires

• Idée ancienne (1920).
• La gravitation à 5D si la physique ne dépend
  pas de la 5e dimension, on obtient la Relativité
  Générale et lélectromagnétisme (Kaluza)
• Notion de compactification (par ex. sur un
  cercle, rayon Rc Klein)
• Les particules ont une énergie cinétique
  quantifiée dans les dimensions supplémentaires,
  qui apparaît comme une contribution à leur masse
  à 4D
• Ingrédient indispensable des théories de
  super-cordes
• (mais pas de conséquences pratiques)
• Intérêt récent
• Rc pas nécessairement lié à lPlanck
• La gravitation peut devenir comparable aux forces
  électrofaibles vers le TeV,
• voire induire la BSE
• ? Phénoménologie propre (gravitons,
  excitations KK au TeV)

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Dimensions supplémentaires

• Modèle Arkani-Dimopoulos-Dvali
• La gravitation est diluée dans n dimensions
  supplémentaires
• ? MPlanck  paraît  loin à 4D, mais cache une
  échelle fondamentale MD plus basse.
• MD O(TeV) si Rc 10-9 à 10-15 m
• Léchange virtuel dune tour de gravitons mime
  une interaction effective à 4 corps
• Ci-contre, un exemple de
• qq,gg ? SG ? gg

LHC, 100 fb-1
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Dimensions supplémentaires

• Modèle de Randall-Sundrum
• 5 dimensions la 5e est  voilée 
• Graviton produit par
• qq ? G ? ee
• gg ? G ? ee
• On obtient un pic a priori
• semblable à un Z.
• Mais la distribution angulaire permet
  didentifier le spin 2 du graviton

LHC, 100 fb-1. MG 1.5 TeV
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Diffusion de bosons vecteurs

• Cadre général le lagrangien chiral
• L v2/4 ltDmUDmUgt a1lt DmUDmUgt2 a2 lt
  DmUDnUgt2
• MS a1 0, a2 v2/8mH2 Technicouleur a1
  NTC/96p2, a2 -2a1
• Cas général a1 et a2 libres, et unitarisation
  ad hoc.

ATLAS à LHC
WLWL ? WLWL
LHC
a1 0
WLZL ? WLZL
a2 0.003
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Diffusion de bosons vecteurs

• Les sections efficaces sont en principe
  suffisantes pour mesurer ds/dM avec précision.
• Pire cas a1 a2 0 ?
• LHC comme ILC prétendent être capables de mesurer
  ce régime (4-5 s)

LHC
WLWL ? WLWL
a1 0
a2 0

• Mais est-ce suffisant? Divers protocoles
  dunitarisation donnent des
• prédictions différentes. Comment remonter
  aux ai?

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Diffusion de bosons vecteurs

• Problématique
• Supposons quon ne trouve ni boson de Higgs, ni
  aucune particule.clairement reliée à la BSE
• ? S, T très en dehors des limites autorisées
  dans le MS
• Alors la diffusion WW ? WW est la seule fenêtre
  restante sur la BSE
• On teste TC, mais on trouve a2 ? -2a1
• ? on tombe dans le schéma décrit ci-dessus.
• Une mesure, aussi précise soit elle, de ds/dMWW,
  ne permet pas de remonter à a1 et a2 à cause des
  ambiguités dans lunitarisation. Que faire?
•  Il ne faut pas regarder plus haut, mais mieux
  regarder plus bas  (M.Chanowitz)

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Conclusions Sommes-nous prêts quoi quil arrive?

• Une physique plus riche aux environs du TeV
  permet de relâcher les contraintes électrofaibles
  sur mH.
• Réciproquement un boson de Higgs absent, ou
  découvert au-delà de 300 GeV est un fort signe
  de nouvelle physique. Les nouvelles particules
  doivent être suffisamment légères pour pouvoir
  compenser en S et T
• Sur lexemple du Z
• Bonnes perspectives de découverte directe au
  Tevatron et au LHC à ILC, le domaine accessible
  est limité
• MZ , mesuré aux machines hadroniques, et
  réinjecté à ILC, permet une détermination précise
  des couplages, même en-dessous du seuil
• Peut-être des fermions et/ou des dimensions
  supplémentaires!
• Si on y est acculés
• la diffusion de bosons vecteurs peut être
  difficile à interpréter.

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Back-up
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S,T,U une définition
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Dimensions supplémentaires Modèle ADD
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Dimensions supplémentaires Modèle RS