LHC: une production spectaculaire simultanée de quarks top

En s'appuyant sur les données recueillies au LHC entre 2016 et 2018, un groupe de la collaboration Atlas coordonné par l'Irfu a mis en évidence pour la première fois la production simultanée de quatre quarks top à partir de collisions de protons. Ce phénomène spectaculaire - qui produit un état final de masse inégalée - permettra bientôt de tester des modèles de "nouvelle physique".


Le quark top est la particule la plus massive du modèle standard de la physique des particules et de ce fait, il se couple fortement au boson de Higgs et, éventuellement, à des particules hypothétiques prédites par des modèles avancés. La production de quatre quarks top (4t) prévue par le modèle standard apparaît donc comme une sonde pertinente pour explorer la possibilité d'une nouvelle physique. De nombreux modèle prévoient en effet une section efficace de production de 4t plus grande que celle du modèle standard.

Près de 4000 fois plus rare que la production d'un boson de Higgs, l'état final à 4t ne se laisse pas facilement débusquer. Sa signature dans le détecteur est très diversifiée et complexe si bien que seuls ont été sélectionnés les "états finals leptoniques" (incluant des muons ou des électrons), plus faciles à distinguer du bruit de fond que les événements ne contenant que des gerbes hadroniques composée de quarks et de gluons (jets). Les états recherchés ne représentent que 12 % des événements 4t possibles.

Pour extraire les données utiles, les chercheurs ont déterminé les bruits de fond à l'aide de simulation Monte Carlo incluant les meilleures prédictions théoriques actuelles et ils ont développé une technique d'apprentissage automatique pour séparer signal et bruit. Pour les bruits de fond les plus "compliqués", ils ont aussi utilisé directement les données en plus des meilleures simulations.

À partir des collisions de protons à 13 téraélectronvolts (10¹² eV) du LHC entre 2016 et 2018, ils ont mesuré une section efficace de production de 4t de 24⁺⁷_-6 femtobarns (ou fb =10⁻⁴³ m²), qui est à ce jour compatible avec la valeur prévue par le modèle standard (12 fb à 20 % près). La signification statistique (4,3 écarts standard) de ce résultat est en effet encore insuffisante pour accéder au statut d'observation (5 écarts standard, soit un niveau de confiance de 99,99994 %). La prochaine campagne du LHC à haute luminosité permettra d'accumuler assez de données (300 fb^-1 au lieu de 139 fb^-1 aujourd'hui, avec 1 fb^-1 = 10⁴³ m^-2) pour atteindre ce niveau de précision et éprouver la validité du modèle standard.

Références

Evidence for tt¯tt¯ production in the multilepton final state in proton-proton collisions at s√=13 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2020