En ce qui concerne les quarks, ceux de la troisième génération (le haut et le bas) sont certainement les plus fascinants et intrigants. Métaphoriquement, nous qualifierions leur vie sociale d'assez isolée, car ils se mêlent peu à leurs parents de la première et de la deuxième génération. Cependant, en tant que véritables aristocrates du monde de la physique des particules, ils bénéficient d'interactions privilégiées et intenses avec le champ de Higgs; c'est l'intensité de cette interaction qui détermine finalement des choses comme la stabilité quantique de notre univers. Leur vie sociale peut aussi avoir un côté sombre, car ils pourraient être impliqués dans des interactions avec la matière noire.

Ce statut particulier des quarks de troisième génération en fait des acteurs incontournables dans la recherche de phénomènes non prévus par le Modèle Standard. Un nouveau résultat publié par la collaboration ATLAS au CERN se concentre sur des modèles de nouveaux phénomènes qui prédisent un rendement accru d'événements de collision avec des quarks inférieurs et des particules invisibles. Une deuxième nouvelle recherche ATLAS considère la présence possible de leptons tau ajoutés. Ensemble, ces résultats imposent de fortes contraintes sur la production de partenaires des quarks b et d'éventuelles particules de matière noire.

À la recherche du fond supersymétrique…

Le partenaire supersymétrique du quark bottom (le fond scalaire) est l'une des nouvelles particules les plus recherchées au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Au cours du Run 1 du LHC (2010-2013), les physiciens ont pu imposer de fortes contraintes sur la masse du fond scalaire dans ses modes de désintégration les plus naturels. Ces contraintes n'ont fait que se renforcer au fur et à mesure que les scientifiques ont étudié les données de Run 2 (2015-2018). Les derniers résultats de la collaboration ATLAS poussent la recherche un peu plus loin :non seulement les physiciens ont examiné l'ensemble complet des collisions de Run 2, ils ont utilisé de nouvelles techniques pour cibler des modes de désintégration à fond scalaire moins courants et des hiérarchies de masse plus difficiles.

Le premier nouveau résultat d'ATLAS se concentre sur les désintégrations à fond scalaire qui ne sont pas souvent étudiées, à savoir, sa désintégration en quarks b, Les bosons de Higgs et les particules candidates de matière noire. En complément d'une précédente étude ATLAS (voir figure), le nouveau résultat recherche une paire de leptons tau produits dans la désintégration du boson de Higgs. Identifier - ou plutôt, identification erronée - ces leptons tau était l'un des aspects les plus difficiles de cette étude. Pour surmonter cela, Les physiciens d'ATLAS ont développé une technique d'estimation du bruit de fond dédiée, sur la base de la définition d'un ensemble soigneusement conçu d'échantillons de contrôle. Cela leur a donné une estimation précise de la composante de fond difficile résultant des erreurs d'identification des leptons tau.

Dans une deuxième nouvelle étude des quarks à fond scalaire, Les chercheurs d'ATLAS se sont concentrés sur la désintégration d'un fond scalaire produit par une paire en un quark b et une particule candidate de matière noire, résultant en deux b-jets et une quantité de mouvement transverse manquante dans l'état final. Ils ont porté une attention particulière aux "scénarios compressés, " C'est, où la masse du fond scalaire et celle de la matière noire candidate sont similaires. Dans ces cas, les quarks b émis dans la désintégration à fond scalaire ont une très faible quantité de mouvement, les rendant difficiles à identifier.

Pour la première fois dans ATLAS, les physiciens ont mis en œuvre des techniques d'apprentissage automatique et des algorithmes de reconstruction dédiés visant à reconstruire la désintégration du hadron inférieur déplacée indépendamment de la présence d'un jet. Avec l'augmentation de la luminosité intégrée du LHC, ces techniques ont contribué à pousser la sensibilité de l'expérience ATLAS à des niveaux sans précédent.

… et ses amis

L'une des choses qui rend ces états finaux si intéressants est qu'ils sont également communs à d'autres phénomènes nouveaux, comme les leptoquarks. Ce sont des particules hypothétiques dont la désintégration violerait la conservation du nombre de leptons et de baryons, ce qui pourrait expliquer le déséquilibre matière-antimatière observé dans notre univers. Une famille spécifique de leptoquarks peut se désintégrer au moins partiellement en un quark b et un neutrino, donnant encore une fois un état final avec deux b-jets et une quantité de mouvement transverse manquante. Des modèles plus génériques de matière noire, où les b-jets sont produits en association avec les particules candidates de matière noire, donnerait aussi le même état final. Le nouveau résultat d'ATLAS fixe également des limites concurrentielles à ces scénarios, une contribution significative à la recherche de matière noire ou de leptoquarks.

En conclusion

L'étude du secteur des quarks de troisième génération, à la fois en termes de mesures de précision et de recherche de nouveaux phénomènes qui lui sont associés, est à attribuer à la longue liste des triomphes du LHC. Cette connaissance jusqu'à présent indique que la troisième génération se comporte comme prédit par le modèle standard. Seuls un examen plus approfondi et une enquête révéleront de nouvelles réponses aux grandes questions soulevées par la troisième génération.