La collaboration Compact Muon Solenoid (CMS), un grand groupe de chercheurs de différents instituts du monde entier, a récemment rassemblé les toutes premières preuves de la production de quarks top dans les collisions noyau-noyau. Leur travail, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , était basé sur les données de collision plomb-plomb recueillies par le détecteur de particules CMS, au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

Jusqu'à il y a quelques années, alors que le LHC du CERN venait juste de commencer à fonctionner, la plupart des physiciens qui étudient les ions lourds (c'est-à-dire noyaux de masse élevée qui ont été entièrement dépouillés d'électrons à des fins d'accélération) étaient sceptiques quant à la possibilité que les quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes connues à ce jour, pourrait être étudiée dans les collisions d'ions lourds. En réalité, à l'époque, il n'était toujours pas clair si le LHC était capable de supporter des collisions entre des ions lourds à un taux de collision suffisamment élevé, également connu sous le nom de luminosité. Récemment, cependant, Les experts des accélérateurs du LHC ont pu atteindre ce taux et dépasser les objectifs de luminosité initiaux pour les collisions d'ions lourds.

Une autre raison pour laquelle l'étude des quarks top dans les collisions d'ions lourds semblait moins réalisable que dans les collisions proton-proton (p-p) est que lorsque le LHC entre en collision avec des ions lourds, l'énergie cinétique maximale des nucléons individuels est considérablement plus petite que l'énergie correspondante dans les collisions p-p. Comme le taux de production de quark top dépend en grande partie de l'énergie de collision (c'est-à-dire, plus l'énergie est grande, plus il est facile de produire des quarks), produire ces particules dans des collisions d'ions lourds basées sur le LHC semblait difficile.

Le LHC a également été conçu pour consacrer moins de temps aux collisions d'ions lourds et plus aux collisions p-p, reflétant les priorités de la communauté de la physique des particules. Par exemple, dans un an, il passe généralement un mois à produire des collisions d'ions lourds et six à sept mois à des collisions p-p.

Finalement, les collisions d'ions lourds produisent beaucoup plus de particules que les plus courantes p-p, ce qui peut rendre très difficile la détection des particules et l'analyse des données relatives aux ions lourds collectées par le LHC. Collectivement, ces facteurs ont entravé et ralenti l'étude des quarks top dans les collisions d'ions lourds, même s'ils étaient souvent identifiés dans des collisions p-p.

Il y a cinq ans, chercheurs du CERN, Université de Jyväskylä, et Institut de physique d'Helsinki ont publié les premières prédictions du taux de production de quarks top dans les collisions d'ions lourds. Malgré le taux de production relativement faible du LHC, ils ont fait valoir que les quarks top pourraient aider à sonder le plasma dit quark-gluon (QGP). QGP est un état de la matière qui aurait existé pendant la première microseconde de vie de l'univers, qui pourrait également résider dans le noyau dense des étoiles à neutrons dans l'univers d'aujourd'hui. Cet état de la matière peut être recréé en laboratoire par la collision d'ions lourds, comme le plomb (Pb).

Les quarks top peuvent être utiles à la fois pour sonder le QGP et pour étudier la distribution des gluons au sein des noyaux. Ces deux utilisations, cependant, nécessitent différents types de collisions, les premiers symétriques (par exemple, plomb sur plomb ou Pb-Pb) et ces derniers symétriques et asymétriques (par exemple, protons sur plomb ou p-Pb). Le LHC entre en collision avec des faisceaux symétriques et asymétriques, mais avant qu'il puisse être appliqué au QGP et aux études liées aux gluons, les chercheurs ont dû prouver avec un degré de confiance élevé que les quarks top peuvent effectivement être détectés dans les collisions noyau-noyau.

« En décembre 2015, le LHC a livré des collisions Pb-Pb avec une énergie cinétique de 2,51 TeV par nucléon, signification de la collision nucléon-nucléon, un total général (énergie du centre de masse par nucléon) de 5,02 TeV, " Les membres de la collaboration CMS ont déclaré à Phys.org par e-mail. " C'était un grand pas par rapport à Run 1, mais la luminosité était encore trop limitée pour l'étude des quarks top et, comme mentionné précédemment, la durée de fonctionnement des ions lourds n'était que d'un mois. Donc bref, cet ensemble de données était trop petit pour revendiquer des preuves de la production de quarks supérieurs. »

Après la publication de l'ensemble de données recueillies en 2015, les chercheurs ont mené une série d'études visant à recueillir des preuves de la production de quarks supérieurs dans les collisions d'ions lourds. D'abord, ils ont mesuré la production de quark top dans un petit échantillon p-p de référence prélevé en 2015 à la même énergie du centre de masse de 5,02 TeV, puis ils l'ont mesuré dans les collisions p-Pb enregistrées en 2016. En fin de compte, ils ont effectué leurs analyses sur les collisions Pb-Pb.

"Ces nouvelles données Pb-Pb ont été accumulées à la toute fin du Run 2, en 2018, grâce à l'ingéniosité de nos collègues accélérateurs, qui a introduit des améliorations dans la chaîne de la source d'ions Pb jusqu'au LHC, et la capacité de l'expérience CMS à enregistrer sur bande, la totalité des données d'ions lourds fournies par le LHC, » ont expliqué les membres de la collaboration CMS. « Dans l'ensemble, cela a entraîné une luminosité totale accumulée environ quatre fois plus élevée qu'en 2015. L'ensemble de données plus important a finalement aidé, mais par lui-même, cela n'aurait pas été suffisant si aucune amélioration de la reconstruction du quark top n'avait été introduite."

Dans leur étude récente, la collaboration CMS a combiné deux approches expérimentales :une qui est affectée par la présence de QGP et une qui lui est agnostique. La première de ces méthodes exploite la présence de quarks bottom (c'est-à-dire, les versions plus légères des quarks top). Les quarks inférieurs peuvent fournir des indications sur la production de quarks supérieurs, car ce dernier se désintègre presque toujours dans le premier. La seconde approche, d'autre part, exclusivement consacré à l'étude des électrons et des muons (c'est-à-dire parents plus lourds des électrons).

"Cette deuxième méthode était moins sensible, mais cela a empêché une critique potentielle :Nous avons une connaissance relativement imprécise, jusque là, de la façon dont QGP affecte le comportement des quarks bottom, et donc en principe, la première méthode pourrait être biaisée par des effets encore inconnus, " Andrea Giammanco, ancien coordinateur du groupe Top Quark de la collaboration CMS, dit Phys.org. "En raison de la petitesse du signal du quark top, le grand fond (par exemple, combinaisons aléatoires de particules non liées, ou des processus induits par le détecteur qui imitent le signal), et la complexité de la reconstruction du quark top, l'analyse a été conçue avec quelques caractéristiques uniques."

Initialement, la collaboration CMS a porté sur la ré-optimisation des algorithmes d'identification afin d'atteindre des performances comparables à celles atteintes sur les collisions p-p, malgré les défis associés à l'environnement créé par les collisions Pb-Pb. Ensuite, ils ont utilisé des algorithmes avancés d'apprentissage automatique, qui sont des outils prometteurs pour l'analyse des données recueillies par le LHC.

Notamment, la collaboration CMS a été la première à rassembler des mesures qui extraient des signaux de quark top sur la seule base des informations sur les leptons. En outre, ils ont utilisé une nouvelle technique d'analyse entièrement basée sur les données pour estimer avec soin les informations de base.

"Pour éviter tout parti pris humain, notre étude a été conçue suivant une procédure d'analyse dite "à l'aveugle", où les critères de sélection ont été optimisés et fixés d'abord en utilisant seulement une petite partie initiale des données, avant d'être appliqué à l'ensemble de données complet, " dit Giammanco. " A la fin, l'accord des résultats des deux approches entre elles, avec le taux extrapolé à partir des collisions p-p, et avec l'attente théorique, nous a donné confiance dans les premières preuves concrètes de la production de quarks top dans les collisions noyau-noyau. L'estimation précise de la luminosité réelle, une tâche que notre équipe, avec l'aide du groupe de luminosité CMS, exécuté avec une priorité élevée, trop."

Avant cette étude récente, le LHC avait permis de mesurer diverses particules élémentaires de masses importantes dans des collisions d'ions lourds, tels que les porteurs massifs de la force électrofaible (c'est-à-dire, bosons W et Z). Néanmoins, il y avait un manque de preuves de la production de quarks supérieurs dans les collisions d'ions lourds, même si les prédictions théoriques suggéraient qu'elles étaient produites à un rythme suffisamment élevé. En plus de rassembler les premières preuves de la production de quarks top dans les collisions noyau-noyau, l'étude récente de la collaboration CMS a mesuré un taux de collision conforme aux prévisions théoriques.

"Réellement, notre communauté n'avait jamais eu la chance auparavant de sonder un tel régime énergétique (ou « échelle d'énergie ») proche de la masse du quark top, mettre la théorie qui lie les nucléons dans les noyaux, appelé la « force forte, " sous des tests rigoureux, " Georgios K. Krintiras, co-coordinateur du Luminosity Group de la collaboration CMS, dit Phys.org. "De plus, processus physiques utilisés jusqu'à présent, par exemple, la production des bosons W et Z et des particules de lumière, les photons, ne sont sensibles qu'aux propriétés du QGP intégré sur sa durée de vie extrêmement courte (seulement une infime fraction de seconde, en termes techniques, environ secondes). Notre papier, suite à des considérations théoriques récentes pour dévoiler la structure yoctoseconde de QGP, n'est que la première étape de l'utilisation du quark top pour fournir de nouvelles informations clés sur la structure temporelle du milieu créé lors de collisions d'ions lourds. »

Les analyses réalisées par la collaboration CMS dans cette étude récente s'écartent des approches de recherche bien établies et pourraient ainsi ouvrir de nouvelles possibilités pour étudier la dimension temporelle de QGP. Cela pourrait finalement prouver son existence en assemblant le film le plus court au monde de son développement.

"La masse exceptionnellement élevée des quarks top que nous avons identifiés établit une nouvelle échelle pour sonder également la structure interne des noyaux, codées dans les fonctions dites de distribution de partons nucléaires (nPDFs), " a déclaré Krintiras. "Notre connaissance actuelle du comportement des nucléons à l'intérieur d'un noyau est limitée, principalement à cause du manque de données à cette échelle. »

Les nucléons sont constitués de trois particules fondamentales appelées quarks. Les interactions entre ces quarks, qui sont médiés par une classe différente de particules appelées gluons, sont si intenses que, théoriquement, aucune force extérieure ne doit pouvoir affecter leur comportement, pas même les forces fortes entre différentes particules à l'intérieur d'un noyau.

Des recherches menées au CERN dans les années 80 ont révélé que les nucléons liés dans les noyaux ont tendance à se comporter différemment de ceux qui sont libres, un résultat qui a été confirmé par de nombreuses études ultérieures. Dans cette recherche passée, l'European Muon Collaboration (EMC) a étudié le rapport des données qu'ils ont collectées sur la diffusion par nucléon du muon sur le fer et l'a comparé à celui lié au noyau beaucoup plus petit de deutérium, obtenir des résultats surprenants qui ne correspondaient pas à leurs prédictions. De la même manière, les chercheurs du LHC étudient le rapport entre les mesures effectuées lors des collisions Pb-Pb, en le comparant à ceux collectés lors des collisions p-p.

"Dans ce contexte, le quark top constitue une sonde théoriquement précise des nPDFs du gluon à une échelle mal explorée, " a expliqué Krintiras. " Une connaissance précise des nPDFs est également une condition préalable essentielle pour extraire des informations détaillées sur les propriétés QGP à partir des données expérimentales. "

Les récents travaux de la collaboration CMS pourraient également avoir des implications importantes pour la compréhension et la recherche d'une nouvelle physique. Bien que les communautés de recherche qui étudient les interactions des ions lourds et la nouvelle physique ne soient généralement pas liées, cette première preuve de la production de quarks top dans les interactions d'ions lourds a ouvert la voie à une collaboration entre ces deux communautés de physiciens.

"Cette recherche m'a inspiré à m'associer à des collègues spécialistes de la nouvelle physique, proposer une telle recherche qui tirerait parti des caractéristiques uniques des collisions d'ions lourds, et cela pourrait devenir possible avec des analyses spéciales d'ions lourds à l'avenir, " dit Giammanco. " Il y a deux ans, nous avons organisé un atelier dédié, appelé « Ions lourds et secteurs cachés », " auquel nous avons convié la plupart des personnes actives dans le minuscule créneau des nouvelles recherches en physique des ions lourds, mais aussi des experts en ions lourds qui n'avaient jamais travaillé sur la nouvelle physique, de nouveaux physiciens n'ayant jamais travaillé avec des ions lourds, et des experts des accélérateurs du LHC afin qu'ils puissent nous guider sur ce qui pourrait être possible en termes de performances des faisceaux d'ions lourds dans les futures exploitations du LHC. »

Certains des algorithmes sophistiqués que la collaboration CMS a développés pour effectuer cette recherche sont maintenant utilisés comme argument au sein de la communauté des chercheurs à la recherche d'une nouvelle physique. Plus précisement, il est actuellement utilisé pour démontrer que certaines des limitations ou des défis fondamentaux associés à la recherche d'une nouvelle physique peuvent être surmontés.

Dans leurs futurs travaux, la collaboration CMS prévoit de s'appuyer sur leurs récentes découvertes pour mener des recherches supplémentaires sur les quarks top dans les collisions d'ions lourds. De plus, l'équipe souhaite encore améliorer l'efficacité de ses méthodes expérimentales et algorithmes.

« Dans notre journal, la soi-disant « significativité statistique observée » du signal s'élève à 4,0 unités d'« écarts-types » (σ), pour les deux méthodes, " dit Krintiras. " En d'autres termes, si aucun quark top n'a été produit, il y aurait toujours une probabilité de 0,003% (c'est le niveau 4σ) que le signal proviendrait d'une fluctuation de fond. Nous aimerions réduire encore cette probabilité, atteignant le seuil plus élevé de 5σ qui est considéré comme la norme pour déclarer l'observation dans notre communauté. »

Pour améliorer la signification statistique observée du signal qu'ils ont détecté et augmenter la fiabilité de leurs résultats, les chercheurs devront d'abord augmenter la luminosité dans leur recherche. En réalité, même s'ils sont alignés sur les prédictions théoriques, les valeurs de taux de collision extraites dans leur article récent sont légèrement inférieures aux valeurs attendues. L'augmentation de la signification statistique pourrait aider à déterminer si ce taux inférieur est le résultat de fluctuations aléatoires ou indique une tendance systématique sous-jacente.

"Malgré l'intérêt croissant pour les analyses autour des nPDFs, nous sommes encore loin d'avoir une compréhension détaillée des modifications de la structure interne des noyaux liés, " a déclaré Krintiras. " Les données nucléaires du LHC sont annoncées comme un puisqu'elles offrent l'opportunité d'un formalisme précis des nPDFs pour le noyau plomb, y compris les progrès de nos connaissances sur les gluons liés à partir des mesures du quark top. Nous pouvons même prévoir des essais supplémentaires au LHC avec une luminosité utilisable plus élevée offrant en outre la possibilité de heurter un ou plusieurs noyaux plus légers que le plomb, comblant ainsi l'écart actuellement important."

Il existe également une complémentarité entre les programmes de physique du LHC et le futur collisionneur électron-ion (EIC) au laboratoire de Brookhaven, répondre à la question cruciale de savoir si les nPDF sont des fonctions d'applicabilité universelle. Ensemble, ces efforts devraient révéler avec précision l'arrangement des quarks et des gluons qui composent les protons et les neutrons des noyaux.

« La majeure partie de la luminosité totale du programme Pb-Pb du LHC devant encore être enregistrée au cours de la prochaine décennie et des projections de performances prometteuses pour la future mise à niveau à haute luminosité du LHC, ou même futur, plus puissant, collisionneurs, également recommandé par la récente mise à jour de la Stratégie européenne pour la physique des particules, les observables du quark top seront mesurés avec une précision toujours plus grande et deviendront même une sonde précise du QGP, " a ajouté Krintiras. " Cela pourrait prouver son existence et rendre possible l'assemblage du film le plus court du monde, et encore plus, avec une résolution extrêmement élevée."

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