Les physiciens de l'expérience ATLAS au CERN ont présenté de nouveaux résultats passionnants lors du 10e atelier international sur la physique des meilleurs quarks (TOP2017), tenue à Braga (Portugal). La conférence a réuni des physiciens expérimentateurs et théoriciens spécialisés dans la particule élémentaire la plus lourde connue :le quark top.

ATLAS a publié six nouveaux résultats pour TOP2017, couvrant tous les domaines de la physique des quarks top, y compris des mesures de précision dans une paire de quark top et des événements de quark top uniques, recherche de nouveaux couplages du quark top, et mesures des propriétés du quark top, en particulier sa masse.

Simple ou double?

Les quarks top dans les collisions proton-proton du LHC sont principalement produits par paires, avec un quark top et un antiquark top. ATLAS a présenté les premières mesures de section efficace de paires de quarks tops en fonction de plusieurs variables décrivant les propriétés cinématiques de l'interaction et des quarks tops individuels (mesures "différentielles"). Ces mesures ont utilisé des événements qui ne contiennent que des jets, et pas de leptons ou de neutrinos chargés. Normalement, de tels événements seraient submergés par d'autres, des processus plus banals et beaucoup plus abondants, telles que les interactions fortes impliquant la production de gluons ou de quarks plus légers. Cependant, en se concentrant sur les jets énergétiques à l'intérieur desquels résident les produits de désintégration du quark top, le nouveau résultat d'ATLAS atteint la meilleure précision à ce jour pour cet état final.

Les quarks top uniques produits par l'interaction faible sont également difficiles à identifier, surtout lorsque le quark top est produit en association avec un boson W (tW), qui souffre de très grands fonds de production de paires de quarks supérieurs. Malgré ces défis expérimentaux, la collaboration ATLAS a publié la première mesure de section efficace différentielle de production de tW, en utilisant l'ensemble des données collectées en 2015 et 2016. La mesure est en général en accord avec plusieurs prédictions, cependant, cela montre que les données ont tendance à avoir un peu plus d'événements avec des objets à l'état final à impulsion élevée.

Le plus lourd de tous

Bien que le quark top ait été découvert il y a plus de 30 ans, bon nombre de ses propriétés n'ont été mesurées que récemment avec une grande précision. La clé de toute étude est la masse du quark top, qui fournit des informations cruciales utilisées pour évaluer la cohérence interne du modèle standard et a même des implications pour le destin de l'univers.

Les expériences sont confrontées à de nombreux défis lors de la mesure de la masse du quark top avec une grande précision. L'identification de ses multiples produits de désintégration nécessite des mesures de précision dans toutes les parties du détecteur ATLAS ; une modélisation précise de l'événement de collision le plus important et de son évolution ultérieure est également essentielle.

Une nouvelle mesure ATLAS de la masse du quark top étudiée vers 36, 000 événements de paires de quarks top enregistrés en 2012 et ont mesuré la masse du quark top avec une précision de ±0,91 GeV. Lorsque cette mesure est combinée avec d'autres mesures de masse du quark top d'ATLAS, la précision atteint ±0,5 GeV, ou 0,3%, qui rivalise avec les meilleurs résultats combinés d'autres expériences.

Faire avancer le haut

Le quark top est également un laboratoire unique pour étudier l'aspect couleur des interactions fortes. "Couleur" désigne la charge de l'interaction forte. ATLAS a présenté des mesures sensibles à cette structure de couleur en regardant dans quelle mesure deux jets sont orientés l'un vers l'autre. Un autre observable, l'asymétrie de charge dite du quark top (dans quelle mesure le quark top est aligné avec la direction du faisceau par rapport à l'antiquark top) est également très utile pour tester des caractéristiques subtiles de l'interaction forte et pourrait révéler la présence d'une physique au-delà du modèle standard.

ATLAS a combiné ses mesures d'asymétrie de charge supérieure avec celles de la collaboration CMS pour réduire les incertitudes et obtenir un résultat plus précis que n'importe quelle mesure précédente. Il s'agit de la première publication conjointe ATLAS-CMS relative à la physique des quarks top et est emblématique de la nature coopérative de la physique des hautes énergies également soulignée au TOP2017.

Jamais – presque ?

Le quark top est également un outil unique pour rechercher directement de nouvelles extensions physiques du modèle standard. La désintégration du quark top en un boson Z et un quark léger à travers un courant neutre à changement de saveur (FCNC), ce qui est interdit dans le modèle standard, est prédit par des théories comme la supersymétrie ou les dimensions supplémentaires. En utilisant le jeu de données de 13 TeV collectées en 2015 et 2016, aucune interaction FCNC n'a été trouvée, et ATLAS a fixé les limites les plus strictes à ce jour sur ce processus.

Tous ces nouveaux résultats passionnants ouvrent la voie à d'autres études détaillées du quark top avec les plus grands ensembles de données attendus du LHC dans la deuxième phase et au-delà. La collaboration ATLAS attend avec impatience la poursuite des discussions fructueuses entre théoriciens et expérimentateurs sur ses mesures.