Vue 3D de l'aimant du LHC. Crédit :D. Dominguez &M. Brice/CERN
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est célèbre pour la collision de protons à des énergies record, mais il est parfois payant de réduire l'énergie et de voir ce qui se passe dans des conditions moins extrêmes. Le LHC est entré en service en 2010 avec une énergie de collision de 7 TeV, et a fonctionné à 13 TeV de 2015 à 2018. Mais pendant une semaine en 2017, le LHC a produit des collisions d'intensité modérée à seulement 5 TeV, ce qui a permis aux scientifiques d'analyser la production de diverses particules élémentaires à une énergie de collision inférieure.
Une particule qu'ils tenaient particulièrement à étudier était le quark top. En tant que particule élémentaire la plus lourde connue, le taux (ou section efficace) de production de paires de quarks top dépend très fortement de l'énergie de collision obtenue. En mesurant le taux de production à différentes énergies, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur les distributions des quarks et des gluons qui composent le proton.
La collaboration ATLAS au CERN a publié une nouvelle mesure du taux de production de paires de quarks top dans l'échantillon de données de 5 TeV. Avec une seule semaine de données, leur mesure finale a une incertitude de seulement 7,5%. Cette incertitude est principalement due à la très petite taille de l'échantillon de données de 5 TeV, avec des incertitudes systématiques liées à l'étalonnage de la luminosité du LHC et à la réponse expérimentale n'étant que de quelques pourcents.
Les quarks top se désintègrent rapidement et laissent une signature distincte dans le détecteur. Pour repérer les événements de collision de la top paire, Les physiciens d'ATLAS ont recherché des événements avec deux électrons, deux muons, ou une paire électron-muon, un ou deux jets de particules « balises b » (provenant des désintégrations du quark b), et un important déséquilibre de quantité de mouvement indiquant la présence d'un neutrino. Cette sélection supprime fortement les événements de fond de la production d'autres types de particules, en particulier dans le cas d'événements électron-muon. Dans les événements avec deux électrons ou deux muons, il y a encore un grand fond d'événements avec les bosons Z à affronter. Les physiciens ont réduit ce bruit de fond en utilisant les énergies et les angles mesurés des électrons et des muons, exigeant que leur combinaison soit incompatible avec l'origine d'une désintégration du boson Z.
Section efficace de production de la paire supérieure en fonction de l'énergie de collision, montrant les mesures ATLAS (cercles noirs et triangle rouge) par rapport à la prédiction théorique (bande cyan). Les graphiques inférieurs montrent le rapport entre les mesures et la prédiction à l'aide de diverses fonctions de distribution des partons, c'est-à-dire des paramétrisations de la structure interne du proton en utilisant différentes hypothèses et ensembles de données d'entrée. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La nouvelle mesure est indiquée dans le tracé présenté dans cet article (le triangle rouge). Des mesures antérieures à des énergies plus élevées à partir d'événements électron-muon seuls sont également incluses. La section efficace à 5 TeV est plus d'un facteur dix plus petite que celle à la plus haute énergie de 13 TeV. Toutes les mesures sont en excellent accord avec les prédictions théoriques, qui combinent la théorie de la chromodynamique quantique avec la connaissance de la structure interne du proton.
De telles comparaisons servent à valider la compréhension des collisions proton-proton, et servir de tremplin à la prochaine exploitation du LHC à partir de 2022, où le CERN espère augmenter encore l'énergie de collision du LHC jusqu'à 14 TeV.
