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Posté par Redbran le Mardi 14/11/2017 à 00:00
Les deux poids lourds du modèle standard se fréquentent-ils ?
La collaboration Atlas a présenté au Cern, le 24 octobre 2017, des preuves de la production de bosons de Higgs en association avec une paire de quarks top et antitop, dans les données enregistrées en 2015 et 2016 à 13 TeV d’énergie de collision proton-proton. L’observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) de ce processus rare, objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois...) de recherches menées au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) du groupe « ttH », orchestré par un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) de l’Irfu/DPhP, ouvre des perspectives quant à l’étude du mécanisme de Higgs via la mesure du couplage du quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants...) top au boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé...).

Mariage poids lourd


Le quark top et le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de...) de Higgs sont les deux particules les plus massives du modèle standard de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) des particule (MS). Le couplage du boson de Higgs aux particules est proportionnel à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) de la particule en question. Plus une particule est massive (Le mot massif peut être employé comme :), plus la probabilité que le boson de Higgs se désintègre en, ou soit produit par, une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) particule-antiparticule est importante. Autant dire que l’on attend une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action...) Higgs-quark top très grande.


Diagrammes de Feynman de processus mettant en jeu le couplage du quark top au boson de Higgs. En haut, la production de boson de Higgs par fusion de gluons (à gauche) et la désintégration du boson de Higgs en deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) (à droite). En bas, la production d’un boson de Higgs en association avec une paire de quarks top antitop.


Il est possible d’inférer indirectement ce couplage, qu’on appelle couplage de Yukawa du quark top, par l’étude des processus de production des bosons de Higgs par fusion de gluons ou de désintégration des bosons de Higgs en deux photons. Ces processus (voir diagrammes, en haut) peuvent en effet faire intervenir une boucle de quarks top mais aussi de quarks b ou de bosons W, qu'on ne sait pas dissocier. Pour mesurer directement le couplage de Yukawa du quark top, le processus « ttH » (voir diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de...), en bas) est le seul dont le taux de production y est directement proportionnel.

La difficulté d’une telle observation vient, d’une part, du très faible taux de production (1% seulement de la production totale de bosons de Higgs), mais aussi de la multiplicité des états finals associés: on attend dans le détecteur de 6 à 10 objets, photons, leptons chargés ou jets de particules venant des désintégrations des quarks top et du Higgs.

Atlas a choisi d’analyser les données enregistrées en 2015 et 2016 à 13 TeV d’énergie de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) en sélectionnant des topologies d’état finals avantageuses, en termes de rapport signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) sur bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...), ou en termes de taux de production. Les résultats des deux canaux suivant viennent d’être rendus publics au Cern: l’état final doit contenir
1. soit un ou deux leptons chargés accompagnés de 4 jets issus de quarks beaux, c’est le canal « ttH bb »,
2. soit au moins deux jets issus de quarks beaux accompagnés de deux leptons chargés de même charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) ou d’au moins trois leptons chargés, c’est le canal « ttH ML » (« ML » pour « multilepton »).

Beautés en couple


Etats finals sélectionnés pour l’analyse du canal ttH bb.

Dans le canal ttH bb, on attend quatre jets issus de quarks beaux plus un ou deux leptons chargés (voir diagrammes). Près de 60% des bosons de Higgs se désintégrant en paire de quarks beaux, ce canal offre une grande statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...). En revanche, il est assez difficile à étudier dans la mesure où les paires de quarks top sont souvent produites en association avec une paire de quarks beaux venant de gluons, ce qui constitue un très important bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) de fond.

Pour pallier ce problème, les événements sont répartis en catégories de différentes sensibilités selon le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de jets de l’état final. Dans les régions les plus sensibles, Atlas utilise des algorithmes de « machine learning » pour extraire le faible signal. Il est aussi possible de sélectionner dans ces catégories des topologies particulières contenant des jets de grande impulsion. Cette étude a fait l’objet d’une thèse de l’Irfu/DPhP, soutenue en 2017, qui montre que cette option nécessite beaucoup plus de données que celles analysées ici, mais pourrait être utile au HL-LHC (LHC haute luminosité, phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) dont le démarrage est prévu en 2025).

Des leptons à foison


Nombre d’événements attendus en fonction du rapport signal sur bruit de fond. L’histogramme en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...) montre le bruit de fond attendu. Les parties orangées (respectivement rouges) montrent le nombre d’événements ttH attendus en plus du bruit de fond tel que prédit par le MS (respectivement d’après un ajustement sur l’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des catégories). Les points noirs avec barres d’erreur représentent les mesures.

Le canal ttH ML souffre de taux de production beaucoup plus faibles que le canal ttH bb mais les bruits de fonds sont nettement moins importants et plus faciles à identifier, donc à rejeter. Pour ce faire, les événements sont séparés selon leur état final (essentiellement nombre de leptons chargés dont nombre de leptons de même charge).

La combinaison (Une combinaison peut être :) des différentes catégories permet de mettre en évidence la présence d’événements ttH, comme l’illustre la figure ci-contre qui donne le nombre d’événements observés en fonction du rapport signal sur bruit de fond. Dans les intervalles les plus à droite, le niveau d’événements ttH prédit par le MS (zone orangée) se détache nettement au-dessus du nombre d’événements de bruit de fond attendu (en blanc), c’est la zone la plus sensible. Et les données (points noirs avec barre d’erreur statistique) montrent un net excès par rapport au bruit de fond attendu, prouvant l’existence du signal ttH.

Combinaison


Résumé des mesures de mu (mu = mesure/MS) des différentes analyses et leur combinaison statistique.

La figure ci-dessus montre l’accord entre les sections efficaces des différents canaux ttH mesurées et les prédictions du MS (µ est le rapport mesure/MS). Les résultats pour les canaux présentés ci-dessus (ttH bb et ttH ML) y sont donnés conjointement avec les résultats de deux autres canaux (ttH gg et ttH ZZ). Ces quatre résultats ont été combinés statistiquement, la combinaison est donnée sur la dernière ligne. On observe, par rapport à l’hypothèse « bruit de fond seulement » (c’est-à-dire quand le couplage du quark top au boson de Higgs est nul), un excès de 4,2 écarts standard. D’où le vocable de « preuve » ! Il faudra attendre 5 écarts standard au moins pour parler d’observation. Néanmoins, s’ils ne se permettent pas encore d’en extraire une valeur pour le couplage de Yukawa du quark top, les physiciens ne boudent pas leur plaisir et ont calculé la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...) de production ttH correspondante: 590 ± 155 fb (à comparer avec le mode de production de boson de Higgs le plus probable, par fusion de gluons, qui a une section efficace environ 100 fois plus élevée). Cette section efficace est en bon accord avec la prédiction du MS.

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Source: CEA-IRFU