Valeurs mesurées de l'asymétrie de charge (Ac) en fonction de la masse invariante du système de paires de quarks supérieurs (mtt) dans les données. Les régions hachurées vertes montrent de nouvelles prédictions du modèle standard à la pointe de la technologie, tandis que les régions hachurées rouges montrent l'asymétrie telle qu'elle est mise en œuvre dans les événements simulés de «Monte Carlo». Les barres verticales correspondent aux incertitudes totales. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Parmi les particules les plus intrigantes étudiées par l'expérience ATLAS se trouve le quark top. En tant que particule fondamentale la plus lourde connue, il joue un rôle unique dans le modèle standard de la physique des particules, et peut-être en physique au-delà du modèle standard.
Au cours de la deuxième phase du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, des faisceaux de protons sont entrés en collision avec une luminosité élevée à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Cela a permis à ATLAS de détecter et de mesurer un nombre sans précédent d'événements impliquant des paires de quarks top-antitop, offrant aux physiciens d'ATLAS une occasion unique de mieux comprendre les propriétés du quark top.
En raison d'interférences sournoises entre les particules impliquées dans la production, les quarks top et antitop ne sont pas produits de manière égale par rapport à la direction du faisceau de protons dans le détecteur ATLAS. Au lieu, les quarks top sont produits préférentiellement au centre des collisions du LHC, tandis que les quarks antitop sont produits de préférence à des angles plus grands. C'est ce qu'on appelle une "asymétrie de charge".
L'asymétrie de charge est similaire à un phénomène mesuré au collisionneur Tevatron au Fermilab, connue sous le nom d'asymétrie « avant-arrière ». Chez Tévatron, les faisceaux de collision étaient constitués de protons et d'antiprotons, respectivement, ce qui a conduit à la production de quarks top et antitop chacun à des angles non centraux, mais dans des directions opposées. Une asymétrie avant-arrière, compatible avec les prédictions améliorées du modèle standard, a été observé.
Limites de confiance sur la combinaison linéaire C−/Λ2 des coefficients de Wilson des opérateurs EFT de dimension six. Les limites sont dérivées d'une comparaison des mesures d'asymétrie de charge présentées dans cet article avec les prédictions de pointe du modèle standard. Sont également montrées les limites dérivées des mesures d'asymétrie avant-arrière au Tevatron en utilisant des collisions à une énergie du centre de masse de 1,96 TeV, à l'essai 1 Mesures de l'asymétrie de charge du LHC dans les collisions proton-proton à une énergie du centre de masse de 8 TeV. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
L'effet de l'asymétrie de charge au LHC devrait être extrêmement faible ( <1 %), car le mode de production dominant des paires de quarks top via la diffusion des gluons (les porteurs de la force forte) émergeant des protons ne présente pas d'asymétrie de charge. Une asymétrie résiduelle ne peut être générée que par des processus de diffusion plus complexes impliquant également des quarks. Cependant, de nouveaux processus physiques interférant avec les modes de production connus peuvent conduire à des valeurs beaucoup plus grandes (voire plus petites). Par conséquent, une mesure de précision de l'asymétrie de charge est un test rigoureux du modèle standard. C'est parmi les plus subtils, difficile, et pourtant des propriétés importantes à mesurer dans l'étude des quarks top.
Un nouveau résultat ATLAS, présenté cette semaine à la conférence de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergies (EPS-HEP) à Gand, La Belgique, examine l'ensemble de données complet de la série 2 pour mesurer la production d'antitop supérieur dans un canal où un quark top se désintègre en un lepton chargé, un neutrino et un « jet » hadronique (une gerbe de hadrons); et l'autre se désintègre en trois jets hadroniques. L'analyse inclut entièrement les événements où les jets hadroniques sont fusionnés (ce qu'on appelle la « topologie boostée »).
ATLAS trouve des preuves d'asymétrie de charge dans les événements de paires de quarks top, avec une signification de quatre écarts types. L'asymétrie de charge mesurée de 0,0060 ± 0,0015 (stat+syst.) est compatible avec la dernière prédiction du modèle standard, et la mesure indique avec certitude que l'asymétrie observée est non nulle. Il s'agit de la première mesure de physique de pointe d'ATLAS à utiliser l'ensemble de données Run 2 complet.
Le nouveau résultat d'ATLAS marque une étape très importante après des décennies de mesures. La figure 1 montre que l'ensemble de données permet à ATLAS de mesurer l'asymétrie de charge en fonction de la masse du système top-antitop. La figure 2 montre les limites résultantes sur les couplages de la théorie des champs effectifs anormaux (EFT) qui paramétrent les effets de la nouvelle physique qui seraient hors de portée d'être produits directement au LHC.
Ce nouveau résultat est une nouvelle démonstration de la capacité d'ATLAS à étudier les effets subtils du modèle standard avec une grande précision. L'accord observé avec les prédictions du modèle standard fournit une pièce supplémentaire au puzzle de notre compréhension de la physique des particules à la frontière de l'énergie.
