Depuis plusieurs décennies, les physiciens des particules ont essayé de mieux comprendre la nature aux plus petites distances en faisant entrer en collision des particules aux énergies les plus élevées. Alors que le modèle standard de la physique des particules a expliqué avec succès la plupart des résultats produits par les expériences, de nombreux phénomènes restent déconcertants. Ainsi, de nouvelles particules, des forces ou des concepts plus généraux doivent exister et – si l'histoire de la physique des particules en est une indication – ils pourraient bien être révélés à la frontière des hautes énergies.

Un banc d'essai prometteur pour une telle nouvelle physique est "la production de quarks quatre, " un processus de modèle standard insaisissable qui n'a pas encore été observé expérimentalement. Dans cette production, deux paires de quarks top – les particules élémentaires les plus lourdes connues – sont créées simultanément lors d'une collision, concentrant ainsi une énorme quantité d'énergie en un seul point. C'est si rare que, dans l'ensemble de données de 30 millions de paires de quarks top analysées par l'expérience ATLAS au CERN pour cette étude, seulement 350 collisions environ devraient avoir produit quatre quarks top.

La collaboration ATLAS vient de publier ses derniers résultats sur la recherche d'une production de quarks quatre sur la base des données de collision proton-proton collectées en 2015 et 2016 au Large Hadron Collider (LHC). Lorsqu'un quark top se désintègre, il donne lieu à des "états finaux" avec soit trois quarks (plus légers) soit un quark, un neutrino et un lepton chargé. D'où, les événements où quatre quarks top sont produits simultanément peuvent avoir des topologies d'état final très différentes selon la combinaison de ces désintégrations. Les physiciens d'ATLAS ont analysé ces topologies individuellement avant de les combiner pour le résultat final.

Tous ces états finaux sont caractérisés par la présence de nombreuses particules hautement énergétiques. Bien que cela facilite la distinction des signatures de signal à quatre sommets des processus d'arrière-plan, il est également plus difficile de prédire combien d'événements de fond sont identifiés à tort comme des événements de production de quarks quadruples. Les équipes d'ATLAS ont ainsi mis en œuvre de nouvelles techniques d'analyse sophistiquées pour estimer la quantité de bruit de fond dans ces environnements « occupés ». En combinaison avec les excellentes performances du détecteur, un résultat d'une sensibilité sans précédent a été obtenu, en excluant un signal avec un taux de production supérieur à 2,1 fois le taux prédit par le Modèle Standard (à comparer avec un facteur de 11,6 pour la recherche précédente la plus sensible).

L'analyse des données a donné lieu à un petit signal à quatre sommets non encore significatif de 2,8 écarts-types, ce qui donne une limite supérieure observée de 5,3 fois le taux du modèle standard. Serait-ce un indice ou simplement une fluctuation statistique ? Seul un résultat mis à jour utilisant le plus grand ensemble de données disponible et une analyse encore plus intelligente peuvent le dire.