Tevatron: deux leptons au top

Vue en coupe transverse (les faisceaux sont perpendiculaires à la figure) d'un événement où une paire top-antitop se désintegre en électron, muon et deux jets. On y voit un électron (rectangle rouge), deux jets(cellules à la fois rouge et bleues) et un muon (rectangle vert).

 

 

Les dernières analyses de la collaboration D0 au Tevatron ont atteint une précision inégalée comme par exemple 1,8% sur la masse du quark top dans une voie de désintégration particulière avec deux leptons (comme des électrons ou des muons). Les physiciens du groupe D0 du SPP ont publié, dans différentes revues scientifiques, quatre nouvelles mesures confirmant les prédictions du modèle standard. Ces mesures utilisent, pour le moment, la moitié de la statistique accumulée au Tevatron par l’expérience.  Elles se poursuivront jusque fin 2012 et permettront  peut-être de découvrir, une contribution possible de physique au-delà du modèle standard.

 

Le quark top, un cas particulier dans la famille des quarks

Le quark top est une particule unique qui suscite la curiosité des physiciens depuis toujours.  Dès qu’il est créé, il se désintègre alors que les autres quarks une fois créés, se retrouvent immédiatement confinés avec d’autres quarks et des gluons pour former un état lié (appelé hadron). Ce confinement engendre une inconnue supplémentaire dans la reconstruction des processus élémentaires. Ainsi les observables de la physique du quark top sont plus faciles à modéliser. Du fait de sa grande masse, le quark top est également une sonde particulièrement sensible aux phénomènes nouveaux.

 

 

figure en haut: Mesure de la masse du top au Tevatron avec une précision record dans les états finals à deux leptons.
Figure du bas: Mesure du rapport R correspondant au taux de désintégration du quark top en quark beau sur le taux de désintégration en n'importe quel quark. Le modèle standard prédit R=1.

Les nouvelles mesures du quark top au Tevatron

 

Le taux de production de paire de top-antitop a été mesuré dans les états finals à deux leptons avec une précision de 11%. En combinaison avec les mesures de section efficace réalisées avec d'autres états finals, cette mesure améliore la précision de la mesure globale du taux de production de paire de quark top dans l'expérience D0 de 12% pour parvenir à la précision record de 8%, atteignant ainsi le même ordre de précision que les calculs théoriques (Physics Letters B704, 403, 2011).

 

Dans le modèle standard, la mesure du rapport du taux de désintégration du quark top en boson W et quark beau sur le taux de désintégration en boson W et n'importe quel quark est prédit comme étant tout proche de 1 (ce rapport est souvent noté R).  Une mesure de ce rapport significativement différent de l'unité pourrait indiquer l'existence d'une quatrième famille de particules élémentaires. Les physiciens du SPP ont effectués la mesure la plus précise de ce rapport (précision de 4%) qui est en accord avec les prévisions du modèle standard (Physics Review Letters 107, 121802 (2011)).

 

En plus de sa production, les physiciens du SPP se sont également intéressés aux propriétés intrinsèques du quark top, comme sa masse. En raison de son temps de vie très court, la masse du quark top peut être mesurée avec une précision qui ne peut pas être atteinte pour d'autres quarks. Cette masse n'est pas prédite dans le modèle standard. Sa connaissance précise permet, avec la connaissance de la masse du boson W, de contraindre indirectement la masse d'un hypothétique boson de Higgs.
 

Comparer les mesures de sa masse dans des états finals différents permet également de contraindre la contribution de phénomènes  nouveaux potentiels à la fois dans la production et dans la désintégration du quark top.


La mesure de la masse du quark top par des physiciens du SPP dans les états finals dileptons a  pour la première fois atteint la précision record de 1.8 % avec seulement la moitié de la statistique analysée (Physics Review Letters 107 082004 (2011)). Les différentes mesures de masse sont en accord entre les différents canaux, il n’y a donc pas de signes de nouvelles physiques dans ce domaine pour le moment.

 

Salle de contrôle de l'expérience D0 au Tevatron. L'accélérateur a été arrêté fin septembre 2011 mais les physiciens continuent l'analyse de l'ensemble des données collectées.

Une des caractéristiques unique du quark top réside aussi dans la possibilité de mesurer les informations liées à son spin et d'observer le phénomène de corrélation de spin entre le quark top et l'antitop du fait qu'il s'agit d'un quark "nu". Cette corrélation est un paramètre très sensible à la présence de nouvelles particules lors de la production et la désintégration des quarks top. Pour la toute première fois, une corrélation de spin des quarks top statistiquement significative a été mise en évidence dans les collisions proton-antiproton grâce à une méthode d'analyse innovante (Physics Review Letters 108, 032004 (2012)). Pour le moment, les mesures sont en accord avec le modèle standard confirmant que le top a un spin ½. Il faudra plus de statistique pour en dire plus.

 

 

Bilan à mi-parcours


Avec la moitié de la statistique analysée, toutes les mesures des propriétés du quark top dans l'état final avec deux leptons réalisées par l'expérience D0 sont en accord avec les prédictions du modèle standard de la physique des particules. 

 

Les physiciens du SPP continuent leurs travaux pour analyser l'ensemble des données collectées par le Tevatron, accélérateur qui a été arrêté fin septembre 2011. Nul doute qu'ils vont continuer à repousser les limites de notre compréhension du quark top avec une attention toute particulière sur les mesures compétitives ou complémentaires à celles effectuées au LHC.
 

Contact Irfu:

 

maj : 25-04-2012 (3180)

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