Le résultat des recherches récentes de la collaboration CMS ouvre la voie à l'étude d'une manière nouvelle et unique d'un état extrême de la matière qui aurait existé peu après le Big Bang. La collaboration a mis en évidence la présence de quarks top dans des collisions entre noyaux lourds au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Ce n'est pas la première fois que cette particule spéciale, la particule élémentaire la plus lourde connue, fait son apparition dans les collisionneurs de particules. Le quark top a été observé pour la première fois dans des collisions proton-antiproton au collisionneur Tevatron il y a 25 ans, et a depuis été repéré et étudié dans les collisions proton-proton et proton-noyau au LHC. Mais la nouvelle découverte, décrit dans un article qui vient d'être accepté pour publication dans Lettres d'examen physique , est sûr d'exciter les expérimentateurs et les théoriciens, pour l'analyse des quarks top dans les collisions de noyaux lourds offre une nouvelle et unique façon d'étudier le plasma de quarks et de gluons qui se forme dans ces collisions et qui aurait existé dans les premiers instants de l'univers. En outre, une telle analyse pourrait jeter un nouvel éclairage sur l'arrangement des quarks et des gluons à l'intérieur des noyaux lourds.

Il n'y a pas vraiment de pénurie de particules, ou des sondes, pour étudier le plasma de quarks et de gluons. Les expériences LHC utilisent depuis longtemps plusieurs types de particules pour étudier les propriétés de cet état extrême de la matière, dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules composites mais errent plutôt comme des particules dans un liquide avec une faible résistance de friction. Mais toutes les sondes existantes fournissent des informations moyennes sur le plasma. Par contre, le quark top, en raison de la manière particulière dont il se transforme, ou se désintègre en d'autres particules, peut fournir des instantanés du plasma à différents moments de sa durée de vie.

"Les quarks top se déplaçant plus rapidement fournissent des instantanés plus tardifs. En assemblant des instantanés pris avec des quarks top à une gamme de vitesses différentes, nous espérons qu'il sera éventuellement possible de réaliser un film sur l'évolution du plasma de quarks et de gluons, " explique Guilherme Milhano, chercheur au CERN, qui a co-écrit une étude théorique sur le sondage du plasma quark-gluon avec les quarks top. "Le nouveau résultat CMS représente la toute première étape dans cette voie."

La collaboration CMS a constaté la présence de quarks top dans un large échantillon de données provenant de collisions plomb-plomb à une énergie de 5,02 TeV. L'équipe a recherché des collisions produisant un quark top et un antiquark top. Ces quarks se désintègrent très rapidement en un boson W et un quark bottom, qui à leur tour se désintègrent également très rapidement en d'autres particules. Les physiciens de CMS ont recherché le cas particulier dans lequel les produits de désintégration finaux sont des leptons chargés (des électrons ou leurs cousins ​​plus lourds, les muons) et des « jets » de particules multiples provenant de quarks inférieurs.

Après avoir isolé et compté ces événements de collision top-antitop, CMS a estimé la probabilité que les collisions plomb-plomb produisent des paires top-antitop via des leptons chargés et des quarks bottom. Le résultat a une signification statistique d'environ quatre écarts types, il ne franchit donc pas encore le seuil des cinq écarts types requis pour prétendre à l'observation de la production de quark top. Mais cela représente une preuve significative du processus - il n'y a que 0,003% de chance que le résultat soit un hasard statistique. Quoi de plus, le résultat est cohérent avec les prédictions théoriques, ainsi qu'avec des extrapolations à partir de mesures précédentes de la probabilité de collisions proton-proton à la même énergie de collision.

"Notre résultat démontre la capacité de l'expérience CMS à réaliser des études de quark top dans l'environnement complexe des collisions de noyaux lourds, " déclare Georgios Krintiras, physicien de CMS, chercheur postdoctoral à l'Université du Kansas, "et c'est le premier tremplin dans l'utilisation du quark top comme nouvelle et puissante sonde du plasma quark-gluon."