Un événement candidat pour une paire quark top-antiquark enregistré par le détecteur CMS. Un tel événement devrait produire un électron (vert), un muon (rouge) de charge opposée, deux « jets » de particules à haute énergie (orange) et une grande quantité d’énergie manquante (violet). Crédit :CMS/CERN
Pour la première fois, Les physiciens de CMS ont étudié un effet appelé « running » de la masse du quark top, un effet quantique fondamental prédit par le modèle standard.
La masse est l'un des concepts les plus complexes de la physique fondamentale, qui a connu une longue histoire de développements conceptuels. La masse a d'abord été comprise dans la mécanique classique comme une mesure de l'inertie et a ensuite été interprétée dans la théorie de la relativité restreinte comme une forme d'énergie. La masse a une signification similaire dans les théories quantiques modernes des champs qui décrivent le monde subatomique. Le modèle standard de la physique des particules est une telle théorie quantique des champs, et il peut décrire l'interaction de toutes les particules fondamentales connues aux énergies du Grand collisionneur de hadrons.
La chromodynamique quantique est la partie du modèle standard qui décrit les interactions des constituants fondamentaux de la matière nucléaire :les quarks et les gluons. La force de l'interaction entre ces particules dépend d'un paramètre fondamental appelé constante de couplage fort. Selon la chromodynamique quantique, la constante de couplage fort diminue rapidement à des échelles d'énergie plus élevées. Cet effet est appelé liberté asymptotique, et l'évolution de l'échelle est appelée « fonctionnement de la constante de couplage ». Il en est de même pour les masses des quarks, qui peuvent eux-mêmes être compris comme des couplages fondamentaux, par exemple, en relation avec l'interaction avec le champ de Higgs. En chromodynamique quantique, l'évolution de la constante de couplage fort et des masses des quarks peut être prédite, et ces prédictions peuvent être testées expérimentalement.
Affichage d'une collision LHC détectée par le détecteur CMS qui contient une paire quark top-antiquark reconstituée. L'écran affiche un électron (vert) et un muon (rouge) de charge opposée, deux jets très énergétiques (orange) et une grande quantité d'énergie manquante (violet). Crédit :CERN
La vérification expérimentale de la masse courante est un test essentiel de la validité de la chromodynamique quantique. Aux énergies sondées par le Grand collisionneur de hadrons, les effets de la physique au-delà du modèle standard pourraient conduire à des modifications du fonctionnement des masses. Par conséquent, une mesure de cet effet est aussi une recherche de physique inconnue. Au cours des dernières décennies, le fonctionnement de la constante de couplage fort a été vérifié expérimentalement pour une large gamme d'échelles. Aussi, des preuves ont été trouvées pour le fonctionnement des masses des quarks charme et beauté.
Avec une nouvelle mesure, la Collaboration CMS étudie pour la première fois le fonctionnement de la masse du plus lourd des quarks :le quark top. Le taux de production de paires de quarks top (quantité qui dépend de la masse du quark top) a été mesuré à différentes échelles d'énergie. A partir de cette mesure, la masse du quark top est extraite à ces échelles d'énergie à l'aide de prédictions théoriques qui prédisent la vitesse à laquelle les paires quark top-antiquark sont produites.
La course de la masse du quark top déterminée à partir des données (points noirs) par rapport à la prédiction théorique (ligne rouge). Comme l'échelle absolue de la masse du quark top n'est pas pertinente pour cette mesure, les valeurs ont été normalisées au deuxième point de données. Crédit :CERN
Expérimentalement, des collisions intéressantes de paires de quarks supérieurs sont sélectionnées en recherchant les produits de désintégration spécifiques d'une paire de quarks supérieurs-antiquarks. Dans l'écrasante majorité des cas, les quarks top se désintègrent en un jet énergétique et un boson W, qui à son tour peut se désintégrer en un lepton et un neutrino. Les jets et les leptons peuvent être identifiés et mesurés avec une grande précision par le détecteur CMS, tandis que les neutrinos s'échappent sans être détectés et se révèlent comme de l'énergie manquante. Une collision qui est probablement la production d'une paire quark top-antiquark telle qu'elle est observée dans le détecteur CMS est illustrée à la figure 1. Une telle collision devrait contenir un électron, un muon, deux jets énergétiques, et une grande quantité d'énergie manquante.
La course mesurée de la masse du quark top est illustrée à la figure 2. Les marqueurs correspondent aux points mesurés, tandis que la ligne rouge représente la prédiction théorique selon la chromodynamique quantique. Le résultat fournit la première indication de la validité de l'effet quantique fondamental de la course de la masse du quark top et ouvre une nouvelle fenêtre pour tester notre compréhension de l'interaction forte. Alors que beaucoup plus de données seront collectées dans les futures exploitations du LHC à partir de l'exploitation 3 en 2021, ce résultat CMS particulier est principalement sensible aux incertitudes provenant de la connaissance théorique du quark top en chromodynamique quantique. Pour voir la masse du quark top fonctionner avec une précision encore plus élevée et peut-être dévoiler les signes d'une nouvelle physique, des développements théoriques et des efforts expérimentaux seront tous deux nécessaires. En attendant, regardez la course du quark top !
