Figure 1 :Section efficace de la paire de quarks top mesurée par ATLAS à 13, 8 et 7 TeV en utilisant des événements eµ, par rapport à la prédiction théorique (bande cyan) en fonction de l'énergie de collision. Le graphique inférieur montre le rapport entre les mesures et les prédictions à l'aide de diverses fonctions de distribution de partons. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
En tant que particule élémentaire la plus lourde connue, le quark top occupe une place particulière dans la physique étudiée au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Les paires quark top-antiquark sont abondamment produites dans les collisions enregistrées par le détecteur ATLAS, fournir un terrain d'essai riche pour les modèles théoriques de collisions de particules aux énergies accessibles les plus élevées. Tout écart entre les mesures et les prévisions pourrait indiquer des lacunes dans la théorie - ou les premiers indices de quelque chose de complètement nouveau.
La collaboration ATLAS a publié une nouvelle mesure précise du taux global – ou « section efficace » – de la production de paires de quarks supérieurs au LHC. La mesure utilise des événements où un quark top se désintègre en un électron (e), un neutrino et un quark b, tandis que l'autre se désintègre en un muon (µ), un neutrino et un quark b. Cela crée une signature frappante dans le détecteur, permettant aux physiciens de collecter un échantillon très propre d'événements avec très peu d'arrière-plan. Bien qu'ils ne représentent que 2 % des désintégrations des paires de quarks supérieurs, Les physiciens d'ATLAS ont examiné plus de 230, 000 événements eµ collectés en 2015-2016 lors de la deuxième phase du LHC à 13 TeV.
Le nouveau résultat donne une mesure de la section efficace de la paire de quarks supérieurs de 826 ± 20 picobarns, c'est-à-dire une incertitude de seulement 2,4 pour cent. Cela concorde parfaitement avec les prédictions théoriques de l'état de l'art, et rejoint les précédentes mesures précises d'ATLAS qui utilisaient des données de 7 et 8 TeV (Figure 1). Cette excellente précision est merci, en grande partie, à la superbe reconstruction par le détecteur des leptons résultants (électrons et muons).
Figure 2 :Section efficace différentielle de la paire de quark top en fonction de la masse invariante de la paire de quark top et de la quantité de mouvement transverse du quark top, tel que mesuré par ATLAS à 13 TeV en utilisant des événements dans le canal monoleptonique, sont comparées à la prédiction théorique des calculs de l'ordre suivant à l'ordre supérieur (NNLO). Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La nouvelle mesure précise d'ATLAS de la section efficace de la paire de quarks top a également été utilisée pour cerner plusieurs paramètres, y compris la masse du quark top à m
Les énergies et les distributions angulaires des leptons produits (c'est-à-dire leur « cinématique ») ont également été mesurées avec précision. Celles-ci ont été comparées aux prédictions de divers programmes « générateurs d'événements », utilisé pour modéliser les événements des quarks top au LHC. Les physiciens d'ATLAS ont noté plusieurs divergences, soulignant la nécessité de calculs théoriques plus précis pour mieux décrire les distributions de quantité de mouvement des leptons observées.
Aller un peu plus loin, un autre nouveau résultat d'ATLAS a approfondi la cinématique des quarks top eux-mêmes. Pour la première fois dans ATLAS, le taux de production de paires de quarks top a été mesuré en fonction de deux variables cinématiques simultanément (distributions 2D, voir la figure 2).
Figure 3 :Section efficace différentielle de la paire de quark top en fonction de la quantité de mouvement transverse du quark top, en utilisant des événements de 13 TeV dans le canal à lepton unique. Ceci est comparé aux prédictions théoriques du générateur d'événements Powheg+Pythia8 et aux calculs NNLO à ordre fixe. Le graphique inférieur montre le rapport entre les prédictions et la mesure. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Pour y parvenir, les physiciens ont sélectionné des événements de paire de quarks top où un quark top se désintègre en un lepton, un neutrino et un quark b, tandis que l'autre se désintègre en une paire quark-b et quark-antiquark. Etudes de cet état final, dit canal "à lepton unique", a permis aux équipes d'ATLAS de reconstruire plus précisément la cinématique de la paire top-quark, y compris dans les cas où des quarks top « boostés » avec une impulsion transversale extrêmement élevée par rapport à l'axe de collision sont produits. Ceux-ci sont d'un intérêt majeur pour les nouvelles recherches en physique, car des particules exotiques massives pourraient se désintégrer en deux quarks top fortement amplifiés.
Les physiciens ont comparé les distributions mesurées aux derniers calculs théoriques, avec de meilleures estimations du taux de production dans les régimes à forte dynamique. Les résultats montrent que les calculs théoriques prédisent plus de quarks top à très grande quantité de mouvement que ce qui est observé (Figure 3). Cela confirme et améliore les mesures précédentes publiées par les expériences ATLAS et CMS. De plus, grâce à la forme de la distribution 2D, le taux de production de la paire de quark top en fonction de la masse invariante et de l'impulsion transverse du quark top peut être utilisé pour des mesures futures pour mesurer la masse du quark top.
Pris ensemble, ces deux nouveaux résultats fournissent une mine de données pour améliorer notre compréhension de la production de paires de quarks top, et pour mieux cerner les propriétés de cette particule lourde.
