19 octobre 2017
ATLAS et CMS vont de l’avant avec le quark top

Pour la première fois, les expériences Atlas et CMS cosignent un article, soumis à la revue JHEP, sur la physique du quark top. Ce travail collaboratif, dont les physiciens de l’Irfu ont été responsables pour la partie Atlas, consiste à combiner les mesures des deux expériences de ce qu’on appelle l’asymétrie de charge dans la production des paires de quarks top-antitop, Ac. En réduisant significativement l’erreur sur la mesure finale, ce travail permet de tester le phénomène subtil d’asymétrie prédit par le modèle standard de la physique des particules et l’éventuelle présence ténue de nouvelle physique.

 

Candidat de production d’une paire de quarks top-antitop enregistré par le détecteur Atlas dans les données récoltées en 2016. Un des quarks de la paire s’est désintégré en un jet de b (cône jaune) et un boson W lui-même identifié via sa désintégration en un électron (ligne bleue) et un neutrino (invisible). L’autre quark de la paire s’est désintégré en un jet de b (cône jaune) et un W identifié via sa désintégration en un muon (ligne rouge) et un neutrino (invisible). (Image: Atlas Collaboration/CERN).

 

 

Le quark top est la particule élémentaire la plus massive connue. Cette propriété en fait une particule à part : c’est le seul quark qui se désintègre avant de s’hadroniser, autrement dit avant d’être intégré dans un état composite avec d’autres (anti-)quarks ; c’est aussi la seule particule à présenter un couplage naturel (d’ordre 1) avec le champ de Higgs et c’est aussi la particule dont la contribution à la masse du boson de Higgs est la plus forte. C’est pourquoi le quark top joue un rôle privilégié dans le modèle standard de la physique des particules et pour la recherche de nouvelle physique au-delà du modèle standard.

 

Le nouveau résultat des collaborations Atlas et CMS présenté ici examine une des propriétés les plus subtiles attendues dans la production de paires de quarks top et antitop. En effet l’interaction forte prédit que le quark top est produit au LHC préférentiellement dans les régions avant ou arrière des détecteurs, alors que son antiparticule, l’antitop est produite plus centralement. Cette asymétrie dite « de charge » est prédite comme étant très faible dans le modèle standard (environ 0,01) mais elle pourrait être bien plus grande en présence de nouvelle physique, surtout lorsque la paire top-antitop a une grande masse invariante (autrement dit lorsqu’elle emporte une fraction importante de l’énergie disponible dans la collision proton-proton).

 

Résumé des mesures inclusives (ATLAS, CMS) et combinaison LHC (ATLAS+CMS) à 8 TeV comparées aux prédictions théoriques (barres horizontales grises centrées autour de 0,01, l’asymétrie de charge attendue). Les barres intérieures représentent les incertitudes statistiques, les barres extérieures les incertitudes totales.

Atlas et CMS ont récemment effectué cette mesure difficile en utilisant l’ensemble des données fournies par le LHC à 8 TeV. Leurs résultats présentent tous deux une incertitude de l’ordre de 0,005 pour une valeur centrale attendue proche de 0,01. Pour aller au-delà, les deux collaborations ont joint leur force et combiné leurs résultats. Cette mesure combinée est la première publication commune entre ATLAS et CMS sur la physique du quark top et est emblématique de la nature coopérative des expériences de physique des hautes énergies.

 

Pour effectuer cette combinaison, il est nécessaire de comprendre en détail les corrélations entre les mesures introduites par les incertitudes sur la modélisation du signal et les autres incertitudes systématiques communes aux deux expériences. Ces corrélations peuvent être estimées en étudiant comment les mesures individuelles dépendent de ces incertitudes systématiques. Les résultats inclusifs à 7 TeV et à 8 TeV d’Atlas et CMS ont été combinés. « Inclusifs » signifie que le résultat est un résultat moyen sur toutes les données. C’est ce qui est montré pour les données à 8 TeV sur la figure ci-contre. L’incertitude combinée, plus petite que les incertitudes individuelles, montre l’intérêt de la combinaison.

 

L’asymétrie de charge combinée Atlas+CMS dans six intervalles de masse invariante des paires top-antitop, comparée aux prédictions théoriques du modèle standard (lignes magenta et bleue) et à deux prédictions théoriques hors modèle standard (lignes rouge et jaune).

Pour la première fois, les mesures différentielles ont également été combinées en utilisant les données à 8 TeV. «Différentielles» signifie que les mesures ont été faites en fonction d’un paramètre, ici en fonction de la masse invariante de la paire top-antitop, comme illustré sur la figure ci-contre. La précision des résultats combinés a été améliorée significativement, d’environ 20%, par rapport aux mesures individuelles.

 

Les asymétries inclusives et différentielles combinées sont en accord avec les dernières prédictions du modèle standard. L’asymétrie inclusive combinée permet déjà d’exclure toute une gamme de modèles de physique au delà du modèle standard. De plus, l’asymétrie différentielle permettra, à terme, de contraindre les contributions éventuelles de nouveaux phénomènes d’une manière inédite à grande masse invariante, comme on le voit sur la figure ci-contre qui compare les résultats à différents modèles. Pour cela, il faudra inclure de nouvelles données, à commencer par les données enregistrées au run-2, entre 2015 et 2018.

 

 

Contact : Frédéric Deliot

 

Maj : 20/10/2017 (4208)

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