La collaboration ATLAS au CERN a annoncé des preuves solides de la production de quatre quarks top. Ce processus rare du modèle standard ne devrait se produire qu'une fois pour 70 000 paires de quarks top créés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) et s'est avéré extrêmement difficile à mesurer.

Le quark top est la particule élémentaire la plus massive du modèle standard, cadencé à 173 GeV, ce qui équivaut à la masse d'un atome d'or. Mais contrairement à l'or, dont la masse est principalement due à la force de liaison nucléaire, le quark top tire toute sa masse de l'interaction avec le champ de Higgs. Ainsi, lorsque quatre quarks top sont produits en un seul événement, ils créent l'état final de particules les plus lourdes jamais vu au LHC, avec près de 700 GeV au total. C'est un environnement idéal pour rechercher une nouvelle physique avec des particules encore inconnues contribuant au processus. S'ils existent, les physiciens verront une production supplémentaire de quatre quarks top supérieurs à ce qui est prédit par le modèle standard, motiver davantage une étude détaillée du processus.

Dans leur nouvelle quête de production de quarks quatre, Les physiciens d'ATLAS ont étudié l'ensemble de données complet de l'essai 2 enregistré entre 2015 et 2018. Lorsqu'il a été produit par des collisions proton-proton au LHC, ce processus laisse des signatures spectaculaires dans le détecteur ATLAS. Les quatre quarks supérieurs produisent quatre bosons W et quatre jets (pulvérisations collimatées de particules) provenant des quarks inférieurs. Les bosons W alors, à son tour, chaque désintégration en deux jets ou un lepton chargé (électron, leptons muons ou tau) et un neutrino invisible. Comme dernière étape, les leptons tau se désintègrent en un lepton plus léger ou un jet, avec des neutrinos supplémentaires.

Pour ce résultat, les physiciens ont choisi de se concentrer sur les événements de collision produisant deux leptons avec la même charge ou trois leptons. Bien qu'il ne représente que 12 % de toutes les désintégrations des quarks quatre, ces signatures sont plus faciles à distinguer des processus de fond dans le détecteur ATLAS. La détection d'un signal nécessitait néanmoins une compréhension détaillée des processus de fond restants et l'utilisation de techniques de séparation sophistiquées.

Les physiciens d'ATLAS ont entraîné un discriminant multivarié (arbre de décision boosté) en utilisant les caractéristiques distinctes du signal, y compris le nombre élevé de jets, leur origine de saveur de quark (quark bottom ou non), et les énergies et les distributions angulaires des particules mesurées. Les principaux processus de fond qui ressemblent au signal proviennent de la production d'une paire de quarks top en association avec d'autres particules, tel qu'un boson W ou Z, un boson de Higgs, ou un autre quark top. Certains de ces processus n'ont eux-mêmes été observés que récemment par les collaborations ATLAS et CMS.

Chaque processus de fond a été évalué individuellement, principalement grâce à des simulations dédiées qui comprenaient des informations provenant des meilleures prédictions théoriques disponibles. Les processus de fond les plus difficiles — la production de paires de quarks supérieurs avec un boson W et des arrière-plans avec de faux leptons — ont dû être déterminés à l'aide de données provenant de régions de contrôle dédiées. Les faux leptons surviennent lorsque la charge d'un lepton est mal identifiée, ou lorsque les leptons proviennent d'un processus différent, mais sont attribués au signal. Les deux devaient être bien compris et évalués avec précision afin de réduire l'incertitude systématique sur le résultat final.

ATLAS a mesuré la section efficace pour la production de quatre quarks top à 24 ⁺⁷ –6 fb, ce qui est cohérent avec la prédiction du modèle standard (12 fb) à 1,7 écart-type. La significativité du signal s'élève à 4,3 écarts types, pour une signification attendue de 2,4 écarts-types, le signal des quarks supérieurs était égal à la prédiction du modèle standard. La mesure fournit des preuves solides de ce processus.

Des données supplémentaires provenant de la prochaine exploitation du LHC, ainsi que de nouveaux développements des techniques d'analyse employées, amélioreront la précision de cette mesure difficile.