A la recherche de SUSY (sur CMS) Frédéric Ronga (ETH Zurich) Séminaire IPN Lyon 2 février 2011

Plan La SUperSYmétrie : comment et pourquoi? Le détecteur CMS au LHC Recherche de SUSY sur CMS Interprétation des résultats et perspectives 2

La supersymétrie (en une page) Nouvelle symétrie fondamentale entre bosons et fermions Par exemple Chaque multiplet du modèle standard est doublé en taille cela donne le Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) conservation de SUSY : les membres d un multiplet on la même masse SUSY n est pas conservée : les partenaires SUSY sont lourds mais parité de matière le nombre de superparticules est conservé la superparticule la plus légère (LSP) est stable 3

Supersymétrie: quel intérêt? Stabilisation de la masse du boson de Higgs (corrections radiatives) Unification des constantes de couplage http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5 SM Candidat pour la matière noire MSSM 4

Supersymétrie: quel intérêt? Stabilisation de la masse du boson de Higgs (corrections radiatives) Unification des constantes de couplage http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5 SM Candidat pour la matière noire MSSM Cette théorie fait couler de l encre depuis 40 ans : il est du devoir des expérimentateurs de la confronter à la réalité 4

Vers une phénoménologie SUSY Le MSSM a 124 paramètres Simplification du modèle : hypothèses sur le mécanisme de brisure de la supersymétrie quelques paramètres définis à l échelle d unification (GUT) génération du spectre de masse et des couplages à l échelle mz (éq. du groupe de renormalisation) Exemple: CMSSM (msugra) M1/2 masse des jauginos (sfermions) M0 masse des scalaires A0 couplage trilinéaire tanβ rapport des VMV bosons de Higgs 5

Vers une phénoménologie SUSY Le MSSM a 124 paramètres Simplification du modèle : hypothèses sur le mécanisme de brisure de la supersymétrie quelques paramètres définis à l échelle d unification (GUT) M0 = 200 GeV/c 2 M1/2 = 160 GeV/c 2 A0 = -400 GeV/c 2 tanβ = 10 LM0 génération du spectre de masse et des couplages à l échelle mz (éq. du groupe de renormalisation) Exemple: CMSSM (msugra) M1/2 masse des jauginos (sfermions) M0 masse des scalaires A0 couplage trilinéaire tanβ rapport des VMV bosons de Higgs 5

Vers une phénoménologie SUSY Le MSSM a 124 paramètres Simplification du modèle : hypothèses sur le mécanisme de brisure de la supersymétrie quelques paramètres définis à l échelle d unification (GUT) M0 = 185 GeV/c 2 M1/2 = 350 GeV/c 2 A0 = 0 GeV tanβ = 35 LM2 génération du spectre de masse et des couplages à l échelle mz (éq. du groupe de renormalisation) Exemple: CMSSM (msugra) M1/2 masse des jauginos (sfermions) M0 masse des scalaires A0 couplage trilinéaire tanβ rapport des VMV bosons de Higgs 5

A la recherche de SUSY au LHC Topologie d un événement SUSY important dégagement d énergie grand nombre de jets leptons à bas pt énergie manquant (MET) Les recherches SUSY touchent à tous les aspects de la reconstruction électrons, photons et muons jets, activité hadronique énergie manquante Un événement SUSY typique nombreux jets, leptons et énergie manquante N.B. Il s agit de rester aussi indépendant que possible d un modèle particulier 6

The Compact Muon Solenoid Total weight Overall diameter Overall length 12500 t 15 m 21.6 m 66M channels for ~1 m 2 9.6M channels for ~210 m 2 76k PbWO4 crystals interleaved scintillator/brass redundant DT (CSC) and RPC 3.8T field 8

L échantillon 2010 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/lumipublicresults2010 47/pb delivré 43/pb enregistré 92% d efficacité 9

L échantillon 2010 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/lumipublicresults2010 47/pb delivré Moriond 2011 premiers résultats 43/pb enregistré 92% d efficacité ICHEP 2010 mise en route des analyses 9

Muons... https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/physicsresultsmuo 10

Electrons! https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/physicsresultsegm 11

Jets CMS PAS JME-10-003 4 types reconstruction complémentaires -1 CMS Preliminary - L = 100 µb jets calorimétriques (CaloJets) à partir des seuls dépôts calo. jets de traces (Track jets) Calo. jets Number of Events 1500 1000 Data Pythia8 s=7tev Track jets à partir du trajectographe seul 500 jets et traces (JPT jets) soustraction de la réponse calo. des CaloJet, remplacée par les traces flux de particule (PF jets) reconstruction individuelle des particules par combinaison d info. de tous les sous-détecteurs JPT jets 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Δφ 12 PF jets Angle Δφ entre les deux principaux jets (utilisé pour sélectionner un échantillon bi-jet) 12

Energie manquante (MET) CMS PAS JME-10-004 Trois types de MET correspondant aux reconstructions calo. jet, JPT jet et PF jet Pas de MET (significative) dans les évén. minimum bias Nettoyage MET nettoyage bas niveau du bruit crucial pour les recherches SUSY (et autres) efficace contre le bruit dans les queues Résolution MET en fct. de Σ(ET) démontre l intérêt de combiner l information des sous-détecteurs comme le prédit le Monte Carlo ) (GeV) x,y "(Calibrated E 25 20 15 10 5 type2 caloe T (Data) type2 caloe T (MC) tce T (Data) tce T (MC) pfe T (Data) pfe T (MC) Résolution MET Calo. MET T. c. MET PF MET s = 7 TeV CMS preliminary 2010 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Calibrated pf!e T (GeV) 13

Juste encore une dernière chose candidat à deux jets b 14

Etiquetage des jets b CMS PAS BTV-10-001 CMS Preliminary 2010, s = 7 TeV, L = 15 nb -1 CMS Preliminary 2010, s = 7 TeV, L = 15 nb -1 Entries/0.7 6 10 5 10 4 10 3 10 Data Sim.(light) Sim.(charm) Sim.(bottom) Entries/0.04 90000 Data 80000 Sim.(light) Sim.(charm) 70000 Sim.(bottom) 60000 50000 40000 2 10 30000 10 20000 10000 Data/Sim 1 1.5 2 0.5 1 0-30 -20-10 0 10 20 30 Track 3D IP significance Data/Sim 1.1 0 1.05 1 0.95 0.9-2 -1 0 1 2 Track 3D IP significance Signif. stat. du paramètre d impact 3D Comparaison entre données et simulation Idem (détail, échelle linéaire) Distribution symétrique pour les temps de vie courts crucial pour bien des recherches SUSY (nombreux jets b) 15

(Un début de) Recherches SUSY

Recherches SUSY sur CMS CMS PAS SUS-10-001 Rappel important dégagement d énergie grand nombre de jets leptons à bas pt Recherches hadroniques Recherches leptoniques # leptons 0 1 2 SS 2 OS 3 énergie manquante (MET) Stratégie Bruits de fond principaux QCD ttbar W+jets ttbar W+jets QCD faux leptons (ttbar) ttbar Z+jets faux leptons (ttbar) supprimer les processus standard ( bruit de fond ) estimer les processus restant à l aide de techniques exploitant uniquement les données la nouvelle physique se manifeste comme un excès 17

Recherches SUSY sur CMS CMS PAS SUS-10-001 Rappel important dégagement d énergie grand nombre de jets Recherches hadroniques Recherches leptoniques leptons à bas pt # leptons 0 1 2 SS 2 OS 3 énergie manquante (MET) Stratégie Bruits de fond principaux QCD ttbar W+jets ttbar W+jets QCD faux leptons (ttbar) ttbar Z+jets faux leptons (ttbar) supprimer les processus standard ( bruit de fond ) estimer les processus restant différentes stratégies en fonction des états finals (différents b.d.f.) à l aide de techniques exploitant uniquement les données la nouvelle physique se manifeste comme un excès 17

(Un début de) Recherche SUSY hadronique

Canaux hadroniques : le problème CMS-SUS-10-003 jets ET>50 GeV/c, η <3.0 ET,1,ET,2>100 GeV, η1 <2.5 veto leptons pt > 10 GeV/c veto photons pt > 25 GeV/c Coupure sur l énergie totale : 250 GeV Le dernier bin contient le surplus Distribution de l énergie totale des jets dans les données et différents processus simulés 19

CMS-SUS-10-003 Une solution : la variable αt jets ET>50 GeV/c, η <3.0 ET,1,ET,2>100 GeV, η1 <2.5 veto leptons pt > 10 GeV/c veto photons pt > 25 GeV/c Le dernier bin contient le surplus Distribution de la variable αt dans les événements di-jets des données et de la simulation 20

Une solution : la variable αt (suite) CMS-SUS-10-003 Evénements à n jets (n 2) On construit la variable : αt=0.5 pour des di-jets parfaitement équilibré αt<0.5 en cas de més-estimation de l énergie Extension à plusieurs jets ramené au cas à deux jets par groupement des jets de façon à minimiser la différence d énergie entre les deux systèmes αt>0.5 si et seulement si : présence de MET (SUSY, top, W ) perte d un jet sous le seuil de sélection ou dans une zone morte 21

Suppression de QCD avec αt CMS-SUS-10-003 Suppression du gros de QCD ατ > 0.55, HT > 350 GeV Suppression de contamination QCD dans la région ατ > 0.55 jets sous le seuil de sélection comparaison du recul des jets sélectionnés (MHT) et de MET MHT/MET < 1.25 jets dans une zone morte basé sur Δφ * (détecte le jet contribuant à MHT) : φ = min i,j jets ( p T i, ) j i p j T suppression d événements où Δφ* < 0.5 et le jet correspondant est près d une zone morte 13 événements survivent 22

Estimation du bruit de fond CMS-SUS-10-003 Etude de la fraction d év. qui ne passent pas αt > 0.55, RαT indépendant de HT pour le M.S. augmente avec HT pour SUSY RαT est estimé dans les deux premiers bins HT (250 et 300 GeV) en supposant que cette fraction est constante, on estime RαT dans la région HT>350 GeV Estimation de W+jets et top événements W μν Estimation de Z νν événements γ+jets 23

Résultats (synthèse) CMS-SUS-10-003 Evénements observés : 13 compatibles avec le M.S. Δφ * Masse effective Meff = MHT + HT échelle d énergie d un événement Evénements prédits: inclusif : W+jets (tt) : Z νν : 6.4 +2.8 1.9 (stat) ± 1.8(syst) 4.4 +2.3 1.6 (stat) ± 1.8(syst) Meff principales erreurs systématiques inclusif : extrapolation de RαT électro-faible : veto/identification leptons, facteurs dérivés du Monte Carlo (erreurs additionnelles pour l interprétation) 24

(Un début de) Recherche SUSY leptonique

Deux leptons de charges opposées signature générique : 2 leptons OS + jets + MET section efficace élevée contribution importante de la désintégration : deux désintégrations à deux corps (slepton ou boson Z) désintégration à trois corps (Z virtuel) ou deux leptons des deux chaînes de désintégration Bruit de fond le plus important : top après veto du boson Z 26

Stratégie d analyse Sélection 2 leptons de charges opposée (ee, µµ, eµ) 2 jets, HT > 300 GeV y = MET/ HT > 8.5 GeV N A N B = N D N C Estimation bruit de fond méthode ABCD ND = NCxNA/NB si variables non corrélées Résultats observation : 1 événement prédiction : 1.3±0.8±0.3 Limite supérieure : 4.1 événements à 95% C.L. 27

Interprétation et un rapide coup d œil vers le futur

Approches de l interprétation CMS-SUS-10-003 Représentation du résultat dans un modèle donné inclut l efficacité de sélection (+ systématiques), etc. 29

Approches de l interprétation CMS-SUS-10-003 Représentation du résultat dans un modèle donné inclut l efficacité de sélection (+ systématiques), etc. Limites d une exclusion à 95% de niveau de confiance 29

Approches de l interprétation Représentation du résultat dans un modèle donné inclut l efficacité de sélection (+ systématiques), etc. ne combine généralement pas les résultats (monnaie d échange) Ajustement global des paramètres d une modèle donné top-down : interprétation dans un modèle précis (p.ex. CMSSM) confirmation ou exclusion du modèle (déjà avec les données existantes) Simplification phénoménologique du modèle (p.ex. OSETs) bottom-up : traduit les résultats en termes de spectres de masse plus flexible, particulièrement indiqué pour l interprétation d un signal 30

Ajustement global de paramètres Confrontation modèle données combinaison de mesures comparaison avec des prédictions contraintes sur les paramètres ou exclusion du modèle Ajustements globaux SUSY au-delà des recherches directes : Physique de la saveur (en part. physique du B) mesures à basse énergie (g-2) données électro-faibles de précision (LEP) données cosmologiques Un exemple fameux d ajustement global Ingrédients ensemble cohérent de mesures à exploiter pour contraindre SUSY prédictions précises et combinaison des deux 31

Ajustement global de paramètres (2) dans le cadre de la collaboration MasterCode regroupe expérimentateurs et théoriciens de divers horizons O. Buchmüller, R. Cavanaugh, A. De Roeck, J. Ellis, H. Flächer, S. Heinemeyer, G. Isidori, K. Olive, S. Rogerson, F. Ronga, G. Weiglein un des (nombreux) efforts pour la combinaison et l interprétation de contraintes sur les modèles SUSY 32

Les contraintes existantes + contraintes sur le spectre de masse 33

Ajustement proprement dit Variable de χ 2 à plusieurs paramètres Ci contraintes expérimentales Pi prédictions pour un ensemble donné de paramètres Ajustement de tous les paramètres du modèle, p.ex. CMSSM M0, M1/2, A0, tanβ (sign(µ)=1) y compris les incertitudes du M.S. mtop, mz, ΓZ, Δαhad... et les contraintes sur le spectre de masse recherches au LEP et au Tevatron Echantillon de 25 millions de points (chaînes de Markov) 34

Mise en perspective des résultats Les données existantes semblent favoriser SUSY à basse masse avant la mise en route du LHC M1/2 [GeV] M0 [GeV] 35

Mise en perspective des résultats Après la mise en route du LHC le CMSSM commence à être affecté! M1/2 [GeV] L = 35/pb M0 [GeV] 36

Et avec un peu de chance arxiv:0808.4128 [hep-ph] Après une découverte dans le canal dilepton OS l χ 0 1 Mesure d une arête dilepton sur CMS 100/pb de luminosité intégrée à 14 TeV M1/2 [GeV] (m 2 ll) edge = (m2 χ m 0 2 lr )(m 2 lr m 2 χ ) 2 0 1 m 2 lr M0 [GeV] 37

Conclusion

Conclusion Le LHC a fait des prouesses dans ses premiers mois de mis en service Plus de 40/pb accumulés par les expériences du LHC CMS s est montré à la hauteur les performances du détecteur sont remarquables La recherche de SUSY a démarré, dans tous les états finals Les premiers résultats sont compétitifs Les perspectives futures sont bonnes! on annonce au moins 1/fb (25 fois plus!) pour cette année 39

Matériel d appoint

b-tagging at CMS Secondary vertices are built from tracks inside jets relies on hits in the pixel detector primary vertex built from all good quality tracks in the event and compatible with vertex candidate candidate with highest ΣpT 2 is selected I.P. most powerful variable Note: b-tagging also crucial for searches (many b-jets) F. Ronga (ETH Zurich) LPHE seminar November 15, 2010 41

Tables recherche hadronique Efficacité de sélection LM1 Flux de coupures 42

Constraints (I) F. Ronga (ETH Zurich) Dark Matter in the Sky and Underground September 23, 2010 43 23

Key players Percent change of 95% C.L. contour area as a function of relative uncertainty χ 2 = χ 2 partial + χ2 b sγ 1200 1000 M1/2 800 600 b sγ 400 200 0 0.7! error 0.9! error 1.0! error 1.1! error 1.2! error 1.3! error M0 0 500 1000 1500 2000 F. Ronga (ETH Zurich) Dark Matter in the Sky and Underground September 23, 2010 44

Key players Percent change of 95% C.L. contour area as a function of relative uncertainty arxiv:0808.4128 [hep-ph] χ 2 = χ 2 partial + χ2 b sγ 1200 1000 800 600 M1/2 b sγ Relative change in area [%] 300 250 200 150 100!(g-2) b#s" 2 $h B#&% m W M0 M1/2 plane 400 200 0 0.7! error 0.9! error 1.0! error 1.1! error 1.2! error 1.3! error M0 0 500 1000 1500 2000 50 0 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Relative change in uncertainty F. Ronga (ETH Zurich) Dark Matter in the Sky and Underground September 23, 2010 44

Predicting the Higgs mass Not including the LEP limit, what does the CMSSM predict with today s data? arxiv: 0907.5568 [hep-ph] "! 2 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 LEP excluded Theoretically inaccessible 90 100 110 120 130 140 M h [GeV] CMSSM Higgs mass at best fit point: 108 GeV χ 2 value at limit: 0.7 F. Ronga (ETH Zurich) Dark Matter in the Sky and Underground September 23, 2010 45

Predicting the Higgs mass Not including the LEP limit, what does the CMSSM predict with today s data? arxiv: 0907.5568 [hep-ph] 4 "! 2 4 3.5 3 2.5 2 Δχ 3 2 2 1.5 1 1 0.5 0 LEP excluded Theoretically inaccessible 90 100 110 120 130 140 M h [GeV] Excluded 0 30 100 300 m H [GeV] CMSSM Higgs mass at best fit point: 108 GeV χ 2 value at limit: 0.7 Standard Model Higgs mass at best fit point: 87 GeV χ 2 value at limit: 0.9 F. Ronga (ETH Zurich) Dark Matter in the Sky and Underground September 23, 2010 45