Figure 1 :Résumé des mesures de polarisation les mieux ajustées observées avec leurs contours statistiques uniquement (vert) et statistiques + systématiques (jaune) à un niveau de confiance de 68 %, tracée sur l'espace des paramètres de polarisation bidimensionnel Pz', Px'. L'intérieur du cercle noir représente la région physiquement autorisée de l'espace des paramètres. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Le quark top est unique parmi ses pairs, une particule fascinante que la communauté scientifique étudie en détail depuis les années 90. Sa grande masse en fait le seul quark à se désintégrer avant de former des états liés (un processus connu sous le nom d'hadronisation) et lui confère le couplage le plus fort avec le boson de Higgs. Les théoriciens prédisent qu'il peut également interagir fortement avec de nouvelles particules - si c'est le cas, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est l'endroit idéal pour le découvrir car il s'agit d'une « usine à quarks supérieurs ».
Alors que la plupart des quarks top sont produits par paires au LHC, les collisions produiront occasionnellement des quarks top uniques. Le LHC a produit plus de 42 millions de quarks top uniques au cours de son impressionnante période de collecte de données Run-2 (2015-2018). Contrairement à la production de paires de quarks supérieurs, les quarks top uniques sont toujours produits via l'interaction électrofaible gauche. Cela a un impact sur la direction de spin du quark top produit, et à son tour, le spin de ses produits de désintégration. En étudiant des quarks top produits individuellement, les physiciens sont en mesure d'examiner dans quelle mesure le spin d'un quark top est aligné sur une direction donnée (sa polarisation). Ce paramètre est particulièrement sensible aux nouveaux effets physiques. Dans un nouveau résultat présenté par la collaboration ATLAS, les physiciens ont mesuré, pour la première fois, les vecteurs de polarisation complète pour les quarks top et les antiquarks.
Tempête dans un canal T
Parmi les différents mécanismes qui contribuent à la production de quark top unique, le "canal t" domine au LHC. Dans le canal T, un quark top se désintègre avec une autre particule, connu sous le nom de « quark spectateur ». Ce spectateur est crucial pour mesurer la polarisation du quark top, puisque sa direction de mouvement devrait coïncider avec la direction de spin du quark top—au moins, la plupart du temps. Ce n'est pas toujours le cas; plus loin, la direction du spin doit être différente entre les quarks top et les antiquarks.
Figure 2 :La mesure de section efficace différentielle normalisée en fonction de l'angle cos θy du lepton chargé. Les données, représentés par les points noirs avec des incertitudes statistiques, est comparée à diverses prédictions générées par Monte Carlo du modèle standard du signal du canal t pour les quarks top et les antiquarks top. Les bandes d'incertitude comprennent à la fois les incertitudes statistiques et systématiques. Le panneau inférieur montre le rapport entre la prédiction et les données dans chaque classe. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Pour bien comprendre ce comportement, Les physiciens d'ATLAS ont entrepris de mesurer l'intégralité des vecteurs de polarisation du quark top et de l'antiquark. D'abord, ils ont dû faire la distinction entre les quarks top produits dans le canal t et d'autres processus qui laissent la même signature dans le détecteur. Les chercheurs ont recherché dans leurs événements de collision les caractéristiques du canal t; à savoir, événements avec deux jets dans l'état final (le quark spectateur et le quark bottom de la désintégration du quark top) ou un quark spectateur avec une grande pseudorapidité. La sélection qui en résulte est assez pure dans les quarks top produits seuls à canal T.
Après sa fabrication, le quark top se désintègre presque exclusivement en un boson W et un quark bottom. Le boson W se désintégrera davantage en une paire de quarks (canal hadronique) ou en un lepton et un neutrino (canal leptonique). Le canal leptonique est particulièrement intéressant pour les physiciens, car les distributions angulaires du lepton sont intimement liées au spin du quark top. De nouveaux résultats de la collaboration ATLAS exploitent cette fonctionnalité pour fournir, pour la première fois, les vecteurs de polarisation complets pour les quarks top et les antiquarks (voir Figure 1). Il y a un degré énorme de polarisation le long de la direction du jet du quark spectateur pour les quarks top, et contre cette direction pour les antiquarks supérieurs.
Par ailleurs, Les physiciens d'ATLAS ont mesuré la section efficace différentielle du quark top en fonction de ces distributions angulaires. Leurs mesures sont fournies de manière à pouvoir être directement comparées aux prédictions théoriques actuelles et futures. La figure 2 montre l'une des trois mesures de section efficace différentielle de la production du canal t en fonction des distributions angulaires du lepton chargé. Les résultats sont en accord avec les prédictions du modèle standard.
Opérateur! Obtenez-moi une nouvelle physique sur la ligne
La nouvelle analyse d'ATLAS fait également des avancées importantes dans la recherche de phénomènes au-delà du modèle standard. En particulier, de nouvelles particules qui ne peuvent pas être produites directement au LHC auraient tout de même un effet important sur les distributions mesurées dans cette analyse. Leur étude donne aux chercheurs un moyen indépendant du modèle de décrire les écarts possibles par rapport aux prédictions théoriques en termes d'opérateurs, qui sont nuls dans le modèle standard.
Concrètement, Les chercheurs d'ATLAS se sont penchés sur "l'opérateur dipolaire OtW". Cet opérateur a à la fois une partie réelle et une partie imaginaire; ce dernier étant particulièrement intéressant, puisqu'il n'est pas accessible dans la production de paires supérieures et que des valeurs non nulles impliqueraient une composante de violation de CP dans le secteur du quark supérieur. Le nouveau résultat d'ATLAS impose des contraintes sur la partie réelle et imaginaire de ce coefficient. Au niveau de confiance de 95 %, la partie réelle est contrainte à [-0.7, 1.5] et la partie imaginaire entre [-0.7, 0.2], tous deux compatibles avec zéro. Pour la partie imaginaire, les limites fournies sont les plus strictes à ce jour pour les expériences à haute énergie.
