14 mars 2014
Nouvelle voie pour la production du quark top célibataire

 

Le 21 février 2014, les physiciens de D0 et CDF ont annoncé l'observation pour la première fois d'un mode extrêmement rare de production du quark top célibataire auprès du collisionneur proton-antiproton Tevatron : la production par interaction faible dans la voie « s ». Ce résultat concernant la particule élémentaire connue la plus lourde, le quark top, est en accord avec le taux de production du modèle standard de la physique des particules. Il a été très difficile à obtenir. En particulier, il s'appuie sur des techniques d'intelligence artificielle et a nécessité deux ans et demi d'analyse des données, après l'arrêt définitif du collisionneur en 2011. C'est un succès majeur pour les expériences du Tevatron, d'autant plus qu'il sera très difficile de réaliser une mesure similaire au LHC. L’équipe D0 de l'Irfu/SPP participe à ces mesures depuis le début et coordonne les études du quark top dans la collaboration D0 depuis plusieurs années. 

 

 

La théorie de la physique des particules, le modèle standard, prédit que les quarks top sont produits principalement par paires via l'interaction nucléaire forte, dans les collisionneurs proton-proton (LHC) ou proton-antiproton (Tevatron). La production par l'interaction nucléaire faible est plus rare et plus difficile à mesurer. Pourtant, ce mode de production est très intéressant à étudier car il pourrait révéler des contributions inattendues, provenant de phénomènes au-delà du modèle standard. En 2009, les expériences D0 et CDF, situées sur le collisionneur proton-antiproton Tevatron de Fermilab aux États-Unis, ont observé pour le première fois la production par interaction faible qui comprend deux modes de production principaux, la voie « t » et la voie « s ». Mais ces deux modes ne pouvaient pas être distingués. La production célibataire du quark top a aussi été observée au LHC en 2011. 

 

 

 

diagramme de production "célibataire" du quark top par la voie « s ».Une collision quark-antiquark produit un W chargé, particule médiatrice de l'interaction nucléaire faible, qui se désintègre en quark top et quark beau. Le W de masse 80 GeV ne devrait pas pouvoir se désintégrer dans ces deux quarks de masse totale bien plus lourde, 180 GeV environ. Cette réaction est en fait possible grâce à a mécanique quantique qui autorise la violation de la conservation de l'énergie pendant un très court instant. En contrepartie la réaction est très rare

 
Nouvelle voie pour la production du quark top célibataire

Distribution de la variable discriminante multivariée qui sépare les événements de bruit de fond (ligne noire) et les événements de signal (histogramme bleu).

 

Pour distinguer les deux voies et mesurer le taux de production plus ténu de la voie « s », les physiciens de D0 et CDF ont utilisé l'ensemble des 500 billions de collisions proton-antiproton enregistrées entre 2001 et 2011 au Tevatron, ce qui correspond à 4 fois plus de données que pour la première observation de 2009. Pour ensuite sélectionner quelques dizaines d'événements de signal parmi toutes ces collisions, la méthode d'analyse employée est très sophistiquée et fait appel à des techniques multivariées, c'est-à-dire des techniques d'intelligence artificielle combinant les informations provenant de dizaines de mesures expérimentales réalisées à chaque collision. Le signal a ainsi été observé avec une signifiance de 6.3 déviations standards. Cette valeur correspond à une probabilité de moins de un sur un milliard que le résultat provienne d'une fluctuation du bruit de fond. Le taux de production observé est en accord avec les prédictions du modèle standard. 

 

Ce résultat a été soumis pour publication au journal Physical Review D (arXiv:1402.5126). Il représente un succès majeur pour les expériences du Tevatron, d'autant plus qu'il sera extrêmement difficile de réaliser une mesure similaire au LHC, même après plusieurs années de fonctionnement, tant les niveaux de bruit de fond y sont élevés. Même si le LHC a produit une quantité considérable de quarks top (près de 30 millions, environ 100 fois plus qu'au Tevatron), le Tevatron a encore sont mot à dire sur la physique du top : d'ici la fin de l'année, on attend d'autres résultats, à la fois compétitifs et complémentaires vis à vis de ceux du LHC. 

L’équipe D0 de l'IRFU/SPP participe à ces mesures depuis le début et coordonne les études du quark top dans la collaboration D0 depuis plusieurs années. Depuis 2003 l'étude du quark top au Tevatron a été le sujet de 7 thèses de l'IRFU. 

 

Contacts IRFU:   et 

 

Maj : 17/03/2014 (3452)

 

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