Thèmes et groupes de travail

Afin de couvrir les différents points mentionnés, il a été décidé de regrouper les activités autour de 4 thèmes comportant chacun des aspects expérimentaux et théoriques qui se reflètent dans la personne des coordinateurs respectifs. Le conseil de groupement pourra au besoin décider d'une modification du contour d'un groupe ou de la création d'un nouveau groupe.

Les groupes :

  1. Tests de modèles supersymétriques aux collisionneurs
    J.-L. Kneur (LPTA Montpellier), P. Gay (LPC Clermont-Ferrand) & D. Zerwas (LAL Orsay)

  2. Matière noire et collisionneurs
    C. Goy (LAPP Annecy) & G. Moultaka (LPTA Montpellier)

    Page web: http://www.lpta.univ-montp2.fr/GDR/

  3. Théorie, phénoménologie et cosmologie des dimensions supplémentaires
    P. Brax (SPhT Saclay), F. Ledroit (Grenoble) & G. Moreau (LPT Orsay)

    Page web: http://lpsc.in2p3.fr/GDR-SUSY/

  4. Méthodes et outils communs:
    S. Muanza (IPN Lyon) & M. Mühlleitner (LAPTH Annecy)

    Page web: http://www-clued0.fnal.gov/~muanza/SUSY_Tools_Group.html


1 Tests de modèles supersymétriques aux collisionneurs

P. Gay (LPC Clermont), J.-L. Kneur (LPTA Montpellier) &
D. Zerwas (LAL Orsay)

1.1 Motivations:

ce groupe de travail se consacrera plus spécifiquement à faire le lien entre les différents modèles théoriques (existants, voire à venir) de la supersymétrie, et les différentes analyses expérimentales prévues auprès des collisionneurs. En effet, comme mentionné dans les motivations générales, la principale difficulté actuelle de la supersymétrie est due à la relative ignorance du mécanisme fondamental qui doit être à l'origine de la brisure, probablement dynamique, de la supersymétrie. Il en résulte un nombre important de paramètres arbitraires dans le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), puisqu'on doit à priori considérer tous les termes de brisure dite ``douce'', c'est-à-dire n'invalidant pas la stabilité des masses des particules physiques par rapport aux corrections radiatives. Bien que le MSSM constitue alors le modèle phénoménologique de base pour l'étude de la supersymétrie, aussi bien auprès des accélérateurs de particules que dans des considérations astrophysiques ou cosmologiques (cf. sections suivantes), l'approche supersymétrique acquiert tout son intérêt quand on considère des scénarios faisant jouer un rôle important soit à l'interaction gravitationnelle (modèle mSUGRA, modèles dérivés de théorie sous-jacente des (super)cordes), ou à un secteur de jauge (modèle GMSB) donnant une origine dynamique à la brisure de la supersymétrie tout en réduisant le nombre de paramètres libres du modèle. Comme mentionné plus haut, il existe aussi d'autres modèles de brisure de supersymétrie, comme les modèles AMSB de brisure ``transmise par l'anomalie'', où la brisure douce est engendrée à haute énergie par l'effet indirect d'anomalies ``superconformes''¨ de la supergravité ou des supercordes. D'autres extensions du MSSM, telles que le NMSSM où un scalaire singlet supplémentaire est ajouté au spectre, ou le MSSM avec violation de la R-parité (impliquant la non-stabilité de la LSP) seront aussi à considérer, avec d'autant plus d'intérêt que des théoriciens français y ont une expertise reconnue.

1.2 Finalités du groupe:

face à ces scénarios théoriques très variés, il s'agit d'obtenir des prédictions suffisamment précises pour permettre la comparaison avec les mesures expérimentales à venir, avec la nécessité de préparer au mieux les outils d'analyse1 pour les expériences actuelles au Tevatron et celles prévues au LHC et au futur collisionneur linéaire (LC). En effet, la mise en évidence d'une éventuelle supersymétrie à très hautes énergies constitue une motivation importante des futurs collisionneurs de particules. Celle-ci consisterait d'abord à vérifier la production directe d'une multitude de nouvelles particules: les scalaires du secteur de Higgs, ainsi que les partenaires supersymétriques scalaires et fermioniques des particules actuellement connues. Mais il sera aussi nécessaire de mesurer avec le plus de précision possible les différents paramètres fondamentaux et de vérifier un certain nombre de relations entre couplages et masses imposées par la supersymétrie. Ceci permettrait de reconstruire le Lagrangien à basse et haute énergie, avec la possibilité de déterminer la véritable structure de la physique sous-jacente à l'échelle de Grande Unification, et donc du mécanisme précis de brisure de la supersymétrie parmi les diverses possibilités théoriques évoquées plus haut. Tout cela requiert l'étude du plus grand nombre possible de processus de production et de désintégration des particules supersymétriques et des bosons de Higgs, en particulier les processus d'ordre supérieur (production associée de plusieurs particules et désintégration à plusieurs corps). Cela nécessite également une expertise sur les effets de corrections radiatives affectant ces différents processus de production/désintégration, effets quantiques qui peuvent dépendre fortement du modèle et dont l'ordre de grandeur n'est pas toujours entièrement maîtrisé.

Du point de vue plus expérimental, le rôle de ce groupe est de s'investir dans l'interprétation en termes de modèles supersymétriques des analyses réalisées au Tevatron, et d'indiquer en regard de celles-là les pistes les plus prometteuses pour une projection du démarrage du LHC. En effet, la période couverte (2005 à 2008) verra la production des analyses des données collectées au Tevatron et sera la période ultime de préparation des premières analyses du LHC. Dans ce cadre, le programme de travail envisagé serait le suivant.

Pour faire face aux données collectées auprès du Tevatron, il faudrait revisiter le potentiel de découverte de la supersymétrie et du boson de Higgs à la lumière de la luminosité délivrée et des performances des détecteurs, sans négliger leur potentielle évolution. Si le cadre de ce travail sera dans un premier temps mSUGRA, il devra faire porter tout particulièrement l'accent sur les modes de brisure les moins examinés comme GMSB et AMSB. Au-delà de cette étude placée dans le contexte de l'unification de jauge, il conviendra de poursuivre les travaux dans deux directions: une première qui, conservant l'unification de jauge, propose des secteurs de jauges plus riches propres à régler des problèmes conceptuels (comme typiquement le NMSSM) et une seconde qui, rompant avec l'idée d'unification de jauge, permettra d'aborder la non-universalité des masses de jauginos et de scalaires. Ces directions seront l'occasion de mettre en place les tests expérimentaux de la phénoménologie des modèles nouveaux qui apparaîtront à l'aune des résultats du Tevatron.

Au-delà de l'articulation naturelle entre le Tevatron et le LHC qui découle de la complémentarité en termes d'énergie disponible dans le centre de masse, et donc d'accès aux jeux de paramètres gouvernant les modèles, il faudra envisager les différents scénarios de démarrage de la machine LHC. À titre d'exemples, citons l'hypothèse d'une énergie réduite, l'extension du programme basse luminosité ou la complétude des détecteurs lors de la première phase du LHC concernée par le cadre temporel de la présente demande. Dégager l'éventuelle motivation à faire fonctionner les deux machines simultanément sera aussi un aspect à aborder.

Enfin, dans le cadre de la mise en évidence d'un signal de nouvelle physique au-delà du MS, un aspect à ne pas négliger sera d'envisager la complémentarité des collisionneurs présents et futurs (incluant le futur collisionneur linéaire au-dessous du TeV), de façon à s'assurer que toutes les facettes permettant de circonscrire au mieux les hypothèses d'une interprétation supersymétrique aient été examinées, ou soient au moins interprétables à posteriori (i.e. après l'arrêt de la prise de données, par exemple au Tevatron).

2 Matière noire et collisionneurs

C. Goy (LAPP Annecy) & G. Moultaka (LPTA Montpellier)

2.1 Motivations

Le problème astrophysique de l'origine et de la nature de la matière noire dans l'univers est devenu, au fil du temps, étroitement lié à celui de la physique au-delà du modèle standard des particules élémentaires et de leurs interactions. En particulier, la perspective que les modèles supersymétriques offrent des candidats naturels pour la matière noire, sous forme de particules élémentaires dont les possibles manifestations observationnelles dans l'univers seraient calculables, apparaît très prometteuse. Ces même modèles, qui sous-tendent par ailleurs l'une des principales motivations des futurs collisionneurs des particules, permettent ainsi d'espérer que deux grands problèmes actuels, et toujours ouverts, de la physique des hautes énergies et de l'astrophysique, soient résolus dans un seul et même contexte théorique. Cet état de fait a motivé en bonne partie le rapprochement de communautés scientifiques assez différentes, comprenant expérimentateurs et théoriciens, et qui s'est opéré depuis un certain nombre d'années aussi bien au niveau international que national.

Avec le démarrage à l'horizon 2007 du LHC qui pourra explorer la région du Téra-électron-Volts, les modèles supersymétriques seront directement mis à l'épreuve expérimentale. En particulier, les particules pouvant constituer la matière noire pourraient y être produites et leurs effets détectés. D'un autre côté le démarrage de nouvelles expériences astrophysiques de détection directe ou indirecte (au sol ou embarquées) de la matière noire (Edelweiss II, CRESST, ZEPLIN, ANTARES, GLAST, AMS, ...) seront très complémentaires entre elles ainsi qu'avec les collisionneurs. Il paraîtrait donc très souhaitable qu'au niveau national un rapprochement entre les diverses communautés soit maintenu, voire renforcé, afin d'accompagner un mouvement qui ne manquera pas de s'accélérer dans un très proche avenir, avec l'arrivée de nouvelles données expérimentales.

2.2 Finalités du groupe

Ce groupe de travail serait un lieu naturel où les réunions régulières pourront susciter de tels contacts, discussions et éventuellement collaborations inter-communautaires. Le Neutralino matière noire dans le cadre du modèle de supergravité minimale constitue un scénario de référence qui a largement été étudié dans la littérature. Dans ce contexte nous envisageons, dans un premier temps, d'affiner les prédictions à la lumière des diverses incertitudes théoriques inhérentes au modèle et du degré d'ajustement requis, ainsi que le potentiel expérimental de complémentarité pour l'exclusion ou la détection. Par ailleurs, une place importante sera consacrée à d'autres scénarios, non moins motivés théoriquement où, soit la matière noire reste le Neutralino le plus léger mais dans un cadre différent de brisure de supersymétrie (effets d'anomalies, modèles de supercordes, ...), soit elle correspond à d'autres candidats supersymétriques, tels que le Singlino présent dans la version minimalement étendue du MSSM, ou le gravitino léger qui serait théoriquement favorisé dans certains scénarios de brisure de supersymétrie (GMSB), (ou encore d'autres candidats tels que l'axino, etc... ). Dans ce cadre les échanges avec les autres groupes de travail du GDR, notamment le groupe ``Tests de modèles supersymétriques aux collisionneurs''¨ et le groupe ``Méthodes et outils communs'' auront naturellement lieu et solliciteront en particulier la communauté du LHC. Par ailleurs des scénarios très différents de ceux mentionnés ci-dessus pourraient émerger si l'échelle de masse de la théorie fondamentale des supercordes se trouvait être aussi basse que le TeV. Parmi les manifestations des dimensions supplémentaires compactes d'espace qui en résulteraient, un état de Kaluza-Klein électriquement neutre et stable pourrait alors fournir un candidat à la matière noire avec des signatures de détection assez distinctives. La stabilité de tels états dépend cependant des modèles et serait plus naturelle dans un cadre non-supersymétrique. Des échanges avec le groupe ``Théorie, phénoménologie et cosmologie des dimensions supplémentaires''¨ contribueront à affiner les divers aspects de ce type de matière noire.

Enfin, d'autres aspects de nature astrophysique seront aussi importants à considérer. Par exemple les incertitudes sur les profils de densité de matière noire dans les halos des galaxies lointaines affectent directement les expériences de détection indirecte, de même que l'environnement complexe au centre de notre galaxie peut rendre difficile l'interprétation des observations en termes de produits d'annihilation de la matière noire. Des considérations ayant trait à l'univers primordial peuvent aussi compléter les contraintes sur certains modèles ou en modifier les prédictions (nucléosynthèse primordiale, contribution non-thermique à la densité relique, etc...). Pour certains de ces aspects, des réunions communes avec le groupe de travail ``¨Matière Noire''¨ du GDR Phénomènes Cosmiques de Hautes Energies seront profitables.

2.3 Modalités pratiques

En plus des réunions régulières dédiées à la définition des collaborations au sein du groupe, aux exposés de travaux ainsi qu'à des revues d'intérêt général, un site web sera mis en place afin d'assurer une réactivité et une diffusion rapide de l'information, notamment vis-à-vis de la bibliographie internationale, d'articles récents méritant une attention particulière, ou enfin de publications ou de proposition de sujets de thèses. Les jeunes chercheurs seront spécialement encouragés à participer aux diverses activités de ce groupe.

3 Théorie, phénoménologie et cosmologie des dimensions supplémentaires

P. Brax (SPhT Saclay), F. Ledroit (Grenoble) & G. Moreau (LPT Orsay)

Depuis le début des années 2000 et au cours du fonctionnement de l'Euro-GDR, l'engouement pour la physique des dimensions supplémentaires s'est encore amplifié et étendu pour devenir un des axes majeurs de recherche tant sur le plan théorique que sur le plan phénoménologique et expérimental et ceci dans un large spectre de domaines allant de la cosmologie et de l'astrophysique à la mesure d'effets gravitationnels à des distances sub-millimétriques en passant par la recherche auprès des collisionneurs.

En particulier sur le plan expérimental, l'avènement d'une machine comme le LHC à l'horizon 2007, c'est à dire pendant l'édition 2005-2008 d'un GDR renouvelé, dans le prolongement des recherches entreprises par le passé auprès des collisionneurs LEP et HERA et plus encore de celles poursuivies actuellement auprès du Tevatron, offre une opportunité très importante pour des recherches expérimentales permettant de tester une partie de ces développements. Ces tests peuvent se concentrer par exemple sur des approches déjà connues comme par exemple la recherche de graviton de Kaluza-Klein dans l'approche dite ADD, citée plus haut, et ceci dans une plus grande variété de processus accessibles ou encore, plus dans le cadre de théories de cordes à petites échelles de masse, la recherche d'excitations de Regge ou encore la recherche de graviton de Kaluza-Klein, cette fois dans l'approche RS également citée plus haut, et ceci dans un grand nombre de canaux de désintégration possible. Ces tests peuvent aussi et surtout s'étendre à la recherche de bosons de jauge de Kaluza-Klein prévus dans un grand nombre d'extension phénoménologique des approches ADD et RS. Ils peuvent également s'étendre à la recherche de nouveaux états prévus dans les versions dites stabilisées de l'approche RS ou encore ceux prévus dans des approches plus récentes dites de dimensions supplémentaires universelles. Ces dernières ont la particularité d'avoir une possible échelle de compactification des dimensions supplémentaires inférieure à l'échelle du TeV et de prédire un grand nombre de nouveaux états massifs dont le plus léger, neutre et stable, peut être un candidat à la matière noire et ceci de manière alternative au neutralino le plus léger proposé par l'extension supersymétrique minimale du modèle standard. Pour ces recherches, encore beaucoup d'outils, notamment en terme de générateurs d'événements pour les simulations de signal, nécessaires à leurs recherches expérimentales, doivent être développés et/ou intégrés à ceux déjà existants et ceci, comme cela a été le cas pour la supersymétrie dans les éditions précédentes du GDR susy, à travers un effort commun entre expérimentateurs, phénoménologues et théoriciens.

Avec un candidat à la matière noire issu des dimensions supplémentaires universelles, une complémentarité éventuelle entre les recherches auprès des collisionneurs et les recherches expérimentales de matière noire autant directes qu'indirectes dans le cadre de ces développements phénoménologique de dimensions supplémentaire mérite d'être explorée en liaison avec le groupe ``matière noire et collisionneurs''. Les outils correspondants doivent être également développés et peuvent éventuellement aussi être intégrés à ceux déjà développés dans le cadre de la supersymétrie. Cependant, de manière plus générale, la notion de dimensions supplémentaires entraîne des conséquences encore plus large que la simple et déjà remarquable proposition d'un candidat supplémentaire à la matière noire. En effet, cette notion peut intervenir lors des mesures de rayons cosmiques de très grandes énergies (AUGER, EUSO) ou encore en astronomie $\gamma$ comme par exemple CAT, CELESTE, GLAST, HESS qui peuvent offrir des perspectives intéressantes outre la recherche de matière noire citée plus haut. Mais surtout, cette notion de dimensions supplémentaires possède un impact très profond sur la cosmologie. En particulier de nombreuses approches en cosmologie branaire, encore en développement, permettent de prédire un spectre relativement large de scénario pour l'évolution et la composition de l'univers. Les mesures de plus en plus précises prévues à moyen et long terme via les mesures concernant les supernovae ou l'analyse du fond diffus cosmologique doivent permettre de tester ces différentes approches. La préparation de ces analyses et le développement des outils correspondants en relation avec le développement constant des idées théoriques et en relation éventuelle avec les mesures faites auprès des collisionneurs constituent des activités regroupant expérimentateurs de plusieurs disciplines, phénoménologues et théoriciens. Les observations astrophysiques et les mesures des paramètres cosmologiques peuvent également servir à contraindre les modèles comme cela a été le cas pour l'approche dite ADD contrainte par les données observationnelles concernant le refroidissement des supernovae.

Les développements plus théoriques peuvent permettre non seulement de mieux faire le lien avec certains développements phénoménologiques qui les ont précédés comme par exemple le développement de l'approche dite RS mais aussi d'aboutir à une phénoménologie éventuellement nouvelle qu'il convient d'explorer de manière plus approfondie comme par exemple les extensions supersymétriques de l'approche dite RS et de manière plus générale les extensions supersymétriques des dimensions supplémentaires, les théories de jauge dans le contexte des dimensions supplémentaires, éventuellement avec des groupes de jauge de grande unification, ou encore les modèles supersymétriques ou non-supersymétriques issus des approches faisant intervenir des superpositions de branes de Dirichlet en intersection ou même encore l'analyse des termes de Gauss-Bonnet dans plusieurs approches de cosmologie branaire. Bien entendu ces développements théoriques peuvent englober des recherches pour une meilleure compréhension de la brisure de la symétrie électrofaible et de la supersymétrie en particulier les approches dites sans boson de Higgs pour la brisure de la symétrie électrofaible. Ces développements théoriques concernent également des aspects plus formels liés aux théories de cordes et de branes.

Les efforts d'exploration concernant les dimensions supplémentaires méritent donc d'être encore approfondis et les contacts étroits entre théoriciens, phénoménologues et expérimentateurs, cosmologues astrophysiciens ou physiciens des particules que permettent un GDR, comme cela a été le cas dans les éditions précédentes, offrent un cadre interdisciplinaire idéal pour cette démarche.

4 Méthodes et outils communs:

S. Muanza (IPN Lyon) & M. Mühlleitner (LAPTH Annecy)

L'un des buts du groupe ``Méthodes et Outils Communs'' du GDR-Supersymétrie est de fournir aux différents membres du GDR, principalement aux expérimentateurs, un choix de logiciels et de codes de simulations pour la recherche tant directe qu'indirecte des signaux de la supersymétrie.

Ces dernières années de plus en plus de programmes ont vu le jour, chacun avec une approche différente, ou des approximations peu justifiées dans les étapes intermédiaires de calcul, un grand nombre ne prenant pas en compte les derniers développements théoriques. De plus, la plupart se spécialisent dans un type particulier de recherche ou simulations. Non seulement il y a une séparation très nette entre des codes dédiés exclusivement à la recherche hors-accélérateurs (matière noire) et recherche directe des particules supersymétriques dans les collisionneurs, mais même dans cette dernière catégorie certains sont spécifiques à la recherche, par exemple, des Higgs suspersymétriques alors que d'autres ne traitent que le reste du spectre ; il y a en outre une subdivision entre Monte Carlo pour les collisionneurs hadroniques et machines e$^{+}$e$^{-}$. Vu ce foisonnement d'outils, le fait que les différentes recherches de SUSY soient complémentaires et aient un impact les unes sur les autres, un effort d'harmonisation et de comparaisons entre ces différents outils semble nécessaire. Ceci est d'autant plus vrai que nous nous rapprochons du démarrage du LHC, que la sensibilité des expériences au Run II du Tevatron prend le pas sur celle du Run I et de LEP II, et que les résultats récents sur le fond cosmologique diffus ont atteint une précision telle que des contraintes importantes peuvent maintenant être imposées sur les modèles de la nouvelle physique.

Nous noterons que malgré le nombre croissant de Workshops SUSY organisés chaque année, cet aspect outils est le plus souvent négligé ou très peu représenté bien que le besoin exprimé, très souvent par les expérimentateurs, soit réel. Par ailleurs, il représente un challenge pour les théoriciens puisque la conception d'un outil requiert une très bonne connaissance sur les modèles, une maîtrise des techniques de calculs et une expertise en informatique. Ceci explique pourquoi de tels outils sont d'habitude le fruit de collaborations. On peut imaginer susciter de telles collaborations au sein du GDR d'autant que ce type d'activité sera un forum idéal pour réunir théoriciens et expérimentateurs, afin de «mettre en pratique » et tester les derniers modèles théoriques, ou du moins d'identifier et de combler les principales lacunes des différents codes. Il est donc opportun de réunir les différents concepteurs de ces programmes, de stimuler un débat en ce qui concerne les différentes approches, de discuter de la meilleure stratégie à adopter pour que certains éléments de ces outils puissent être interchangés et adaptés entre différents codes, d'associer aussi travaux théoriques et besoins des expérimentateurs et confronter le point de vue des utilisateurs avec ceux des concepteurs.

S'il fallait citer quelques projets spécifiques, nous mettrions en avant la nécessité d'encourager une synergie entre les outils matière noire et collisionneurs étudiés dans le groupe 2. Cette synergie présuppose de réunir une plate-forme commune qui pourrait se faire autour de l'idée de modularité : échanges de modules entre plusieurs codes avec peut-être le basculement de certains de ces codes en C++. Un autre projet consisterait en l'inclusion des corrections radiatives dans les codes actuels. La prise en comptes des corrections NLO dans un MC est chose ardue mais une structure telle que le GDR pourrait proposer une nouvelle approche et des approximations. On peut aussi mentionner le besoin de développer des codes pour collisionneurs pour la mise en \oeuvre des processus supersymétriques $2\rightarrow3$ ou $2\rightarrow4$. Ces derniers pourraient en effet se révéler importants dans des simulations pour le LHC où le fond SUSY peut être dominant ou, tout au moins, non-négligeable. Le GDR dispose déjà d'outils pouvant générer les éléments de matrice associés à de tels processus. A chaque étape, un des buts du groupe outils sera de mettre à profit la présence d'expérimentateurs et théoriciens afin de passer au peigne fin les codes existants et les codes qui seront en développement afin de relever des erreurs, de faire des comparaisons et de suggérer une meilleure interface avant de rendre publics d'éventuels codes et outils MC pour la physique au-delà du modèle standard.

Sur le plan pratique ce programme sera déroulera au cours des réunions françaises du groupe mais également au cours d'un Workshop Outils européen qui se tiendra tous les 2 ans.


Footnotes

... les outils d'analyse1
voir le programme du groupe ``méthodes et outils communs'', avec lequel les liens seront nombreux.