Search for beyond the standard model physics at the CMS experiment : supersymmetry and extra dimensions

par Leonardo Sala

Thèse de doctorat en Champs, particules, matière

Sous la direction de Pierre Binétruy et de Stefano Ragazzi .

Soutenue en 2009

à Paris 7 en cotutelle avec l'Università degli studi di Milano .

  • Titre traduit

    Recherche de physique au-delà du modèle standard avec l'expérience CMS : SuperSymétrie et Large extra dimensions


  • Résumé

    Le Modèle Standard (MS) qui décrit la physique des particules a été confirmé avec une grande précision par les mesures expérimentales. Cependant, certaines de ses caractéristiques semblent nécessiter une théorie plus complète, en effet, la hiérarchie entre l'échelle Electrofaible et celle de Planck, et l'instabilité de la masse du boson de Higgs aux corrections radiatives demeurent notamment non expliqué. Un nouveau scénario est à considérer avec les récentes mesures cosmologiques de précision indiquant que l'Univers est principalement constitué par de la Matière Noire et de l'Energie Noire qui n'existe pas dans le MS. Le Large Hadron Collider (LHC) est un collisionneur hadronique en construction au CERN de Genève : deux faisceaux de protons circuleront en sens et se croiseront en 4 points avec une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. A cette énergie, il sera alors possible de tester le bien fondé de théories au-delà du Modèle Standard. Une des expérience construite près du collisionneur LHC est le détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) dont un des principaux objectifs est la recherche de signaux de nouvelle physique. Les deux théories principales qui pourraient résoudre les problèmes posés par le Modèle Standard précédemment décrits sont le Modèle Super Symétrique Minimale (MSSM) et le Modèle ADD. Dans cette thèse, on a envisagé les possibles signatures expérimentales dans l'expérience CMS pour ce type de physique. La Super Symétrie, dans sa formulation minimale MSSM , prévoit pour chaque particule du MS l'existence d'un partenaire 'super-symétrique' avec une statistique opposée. Cette théorie décrit aussi le mécanisme qui stabiliserait, de façon radiative, la masse du boson de Higgs, dans le cas où la symétrie appelée R-parité est conservée. Elle prévoit ansi l'existence d'une particule neutre massive faiblement interactive avec la matière ordinaire: cette particule, appelée Lightest Supersymmetric Particle (LSP) est un candidat idéale pour la Matière Noire. Dans MSSM les combinaisons linéaires des partenaires super symétriques des bosons de gauge neutres et chargés, et des bosons de Higgs super symétriques sont appelés "neutralinos" et ont la caractéristique d' être états propres CP. La plupart des scénarios proposés par le MSSM prévoient le LSP comme étant le plus léger entre ces neutralinos. La connaissance des propriétés du neutralino (masse et composition) est fondamentale pour estimer son abondance résiduelle dans l'Univers et les collisionneurs hadroniques peuvent fournir d'importantes informations à son sujet. Dans cet étude de thèse on a considéré, pour un modèle "Not Universal Higgs Masses" (un des possibles scénario du MSSM), la production directe des deux plus légers neutralinos au collisionneur LHC. On a étudié la dépendance des sections efficaces et des amplitudes de plusieurs possibles désintégrations pour le neutralino plus léger à l'aide de simulations et développements de diagrammes de Feynman connus par précédents travaux. Dans ce milieu, on a crée une procédure pour la mesure expérimental à CMS de cette dépendance dans les sections efficaces considérées. Dans les canaux pris en compte dans ces études, la séparation de signal du bruit de fond dû au Modèle Standard est particulièrement compliqué à cause de la cinématique des événements. Le modèle ADD (Arkani-Hamed, Dvali et Dimopoulos) prévoit l'existence d'extra dimensions compactées en une seule échelle macroscopique (dans l'ordre du micromètre) appelée MD. Ce modèle résolut le problème de la hiérarchie à l'aide d'une relation géométrique qui introduit des extra dimensions compactées entre l'échelle Electrofaible et l'échelle de Planck. Seuls les gravitons, les particules qui joue le rôle de médiateur de la force gravitationnelle, peuvent se propager à travers les extra dimensions, alors que la matière ordinaire est confinée dans l'espace ordinaire quadridimensionnel. Ils existent plusieurs canaux physiques à travers lesquels il est possible de vérifier la véracité du modèle ADD, notamment l'émission d'un single photon et d'un graviton ou l'émission d'un single jet hadronique très énergétique et d'un graviton (qui n'interagit pas avec le détecteur et qui se manifeste comme énergie manquante). Dans ce travail de thèse on a étudié le potentiel de découverte de ce dernier canal dans l'expérience CMS. On a étudié les procédures pour obtenir, à partir des données expérimentales, la contribution des fonds dérivés par les canaux prévus par le MS, principalement dus à l'émission de bosons W, Z et jets hadroniques, à la production de couples de quark top et événements purement hadroniques. On a tenu en compte et étudié les effets systématiques sur le nombre prévu des événements dus au détecteur (par exemple la résolution énergétique du calorimètre) et les erreurs systématiques théoriques intervenus dans le calcul des sections efficaces dans le modèle ADD. Les simulations réalisées à l'aide de la description détaillée du détecteur montrent qu'avec le LHC, il sera possible d'exclure les modèles ADD avec MD < 4. 3 (3. 1) TeV pour n=2 (n=4) extra dimensions à partir d'une statistique de 100 pb-1. Avec la même statistique on prévoit une possibilité de mise en évidence à 5 sigma des modèles ADD avec MD<3. 1 (2. 2) TeV pour n=2 (n=4) extra dimensions. L'expérience CMS peut donc améliorer déjà à partir de 100 pb-1 de statistique les actuels limites du collisionneur hadronique Tevatron (Fermilab, Chicago) et du collisionneur électronique LEP (CERN, Genève), posés à MD<1. 6 (1. 0) TeV pour n=2 (n=4) extra dimensions.


  • Résumé

    The Standard Model of Particle Physics is a well established physical theory whose parameters have been measured with precision by many experiments. Nevertheless, some of its features seem to be demanding for a more comprehensive theory: among them, the Hierarchy Problem between the Electroweak and the Planck scales and the radiative stability of the Higgs boson mass. Furthermore, according to the recent cosmological precision measurements the Universe is made by yet unknown components without a counterpart in the Standard Model, called Dark Energy and Dark Matter. The 14 TeV centre-of-mass energy proton-proton Large Hadron Collider (LHC) built at Cern which with its 14 TeV of energy in the center of mass represents a powerful tool the investigation of theories Beyond the Standard Model. The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the two multi- purpose experiment located at the LHC designed also for the search of signature of new physics. In this thesis the possibility to observe signals produced by two models proposed to solve some of the problems of the Standard Model has been studied: the Minimal Supersymmetric Model (MSSM) and the ADD model. Supersymmetry, in its minimal formulation called MSSM, predicts a Supersymmetric partner with opposite statistics for each SM particle. Besides providing a mechanism to radiatively stabilize the Higgs mass, if a new symmetry called R-parity is conserved, it predicts also a massive stable neutral particle which interacts very weakly: this particle, called Lightest SuperSymmetric Particle (LSP), is a good Dark Matter candidate. In many scenarios described by the MSSM, the LSP is the neutralino, defmed as a linear combination of the Supersymmetric partner of the neutral gauge bosons W, B and the Supersymmetric CP-even Higgs bosons. The knowledge of neutralino's properties (mass and composition) is fundamental to estimate its relic density in the Universe: in this framework the hadron colliders can give important information. In this work the direct production of the first two lightest neutralinos at the LHC has been considered in the scenario described by the Not Universal Higgs Masses model (one of the possibile realizations of the MSSM). Cross sections and branching ratios dependence on the lightest neutralino composition has been verified from the known Feynman rules for Supersymmetry and simulations. A procedure to measure this dependence at CMS has been investigated. The separation of signal events from the SM background in the chosen channels has proven to be difficult mainly due to the kinematic of the events. In the ADD model, developed by Arkani-Hamed, Dvali and Dimopoulos, the existence of extradimensions compactified on a macroscopic scale (order of the micrometer) called M_D is proposed. This model solves the Hierarchy problem with a geometrical relationship between the Electroweak and the Planck scales mediated by the delta compactified extradimensions. Only thé gravitons, spin-2 particles that mediate the gravitational force, can propagate in the extradimensions, while the ordinary matter is confined on a four dimensional space. The ADD model predicts several distinctive physical channels that can measured by the CMS experiment in order to validate or falsify it. Amongst them there are the emission of a single photon, or an hadronic jet plus a graviton, which would be recorded as missing energy in the calorimeter. The discovery potential of the latter at CMS has been the subject of this work. Data-driven methods have been proposed for extrapolating the main SM backgrounds, consisting in the emission of a W, Z boson plus jets, production of top pairs and QCD events. Systematic effects due to the detecter (e. G. The jet energy scale) and to theoretical uncertainties in thé computation of the ADD cross sections have been studied and quantified. The simulations performed with a detailed detector simulation show that it is possible to exclude ADD models with M_D < 4. 2, 3. 7, 3. 2 TeV for delta=2, 3, 4 respectively already with 100 pb-1 of integrated luminosity. With the same statistics the 5sigma discovery of ADD models with M_D < 3. 1, 2. 5 and 2. 2 TeV for delta=2, 3 and 4 respectively has been shown. These values are a significant improvement with respect to the current limits set by the Tevatron collider at FermiLab and by the LEP colliderat CERN, which are M D < 1. 6 (1. 0) TeV for delta=2 (delta=4).

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (153 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 92 réf.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris Diderot - Paris 7. Service commun de la documentation. Bibliothèque Universitaire des Grands Moulins.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2009) 143
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.