Un quart de siècle après sa découverte, les physiciens de l'expérience ATLAS au CERN acquièrent de nouvelles connaissances sur la particule la plus lourde connue, le quark top. L'énorme quantité de données collectées lors de l'exécution 2 du LHC (2015-2018) a permis aux physiciens d'étudier en détail les processus de production rares du quark top, y compris sa production en association avec d'autres particules élémentaires lourdes.

Dans un nouveau journal, la collaboration ATLAS rapporte l'observation d'un seul quark top produit en association avec un boson Z (tZq) en utilisant l'ensemble de données Run-2 complet, confirmant ainsi les résultats antérieurs d'ATLAS et de CMS utilisant des ensembles de données plus petits. Pour atteindre ce nouveau résultat, les physiciens ont étudié plus de 20 milliards d'événements de collision enregistrés par le détecteur ATLAS, la recherche d'événements avec trois leptons isolés (électrons ou muons), un déséquilibre de quantité de mouvement dans le plan perpendiculaire (transversal) au faisceau de protons, et deux ou trois jets de hadrons provenant de la fragmentation de quarks (avec un jet provenant d'un quark b). Seuls environ 600 événements candidats avec une telle signature ont été identifiés (c'est-à-dire la région du signal) et, malgré des critères de sélection stricts, seulement environ 120 d'entre eux devraient provenir du processus de production de tZq.

Pour mieux séparer leur signal des processus d'arrière-plan, Les physiciens d'ATLAS ont entraîné un réseau de neurones artificiels pour identifier les événements tZq à l'aide de données simulées avec précision. Le réseau de neurones a attribué à chaque événement un score (O NN ) qui représentait à quel point cela ressemblait au processus de signal. Pour vérifier que la simulation transmise au réseau de neurones a donné une bonne description des données réelles, les physiciens ont examiné des événements avec des signatures similaires (régions de contrôle) qui sont dominées par des processus de fond. Diverses distributions cinématiques des 600 événements de région de signal sélectionnés ont également été vérifiées.

Les chercheurs ont évalué le score du réseau neuronal dans les régions de signal (Figure 1) et de contrôle afin que les niveaux de fond puissent être limités à l'aide de données réelles. Le signal tZq a été extrait et le taux de tels événements produits dans l'échantillon de données donné (c'est-à-dire la section efficace) a été calculé. L'incertitude sur la section efficace extraite est de 14 %. C'est plus d'un facteur deux plus précis que le résultat ATLAS précédent, qui reposait sur près de quatre fois moins de données (de 2015 et 2016). La section efficace s'est avérée en accord avec la prédiction du modèle standard, confirmant que même les particules les plus lourdes du modèle standard se comportent toujours comme des particules élémentaires ponctuelles.

Plus loin, en sélectionnant pour les événements identifiés par le réseau de neurones comme très susceptibles d'être des événements tZq (O NN > 0.4), Les physiciens d'ATLAS pourraient examiner si les distributions cinématiques sont bien décrites par les calculs du modèle standard. La figure 2 montre que c'est bien le cas.

Avec l'observation du processus de production de tZq maintenant confirmée, Les chercheurs d'ATLAS peuvent anticiper son étude encore plus en détail. Les mesures de la section efficace en fonction des variables cinématiques permettront aux physiciens de sonder soigneusement les interactions du quark top avec d'autres particules. Est-ce que davantage de données dévoileront des fonctionnalités inattendues ? Attendez-vous à voir ce que la nature cache dans le monde supérieur.