CMS décèle des indices de la présence de quarks top dans des collisions entre noyaux lourds

Publié par Redbran le 03/11/2020 à 13:00
Source: CERN
Ce résultat annonce un moyen d'étudier de façon novatrice l'état extrême de la matière qui aurait existé peu après le Big Bang.


Événement candidat à CMS pour la production par un quark top et un quark antitop d'un électron, d'un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron (105,6 MeV) et...) et de jets issus de quarks bottom. (Image: CERN)

La collaboration CMS a décelé la présence de quarks top dans les collisions entre noyaux lourds au Grand Collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC).

Ce n'est pas la première fois que le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) top, cette particule très particulière (la plus lourde des particules élémentaires connues) se manifeste dans un collisionneur. Le quark top a été observé pour la première fois dans des collisions proton-antiproton au Tévatron, il y a 25 ans, et a été depuis repéré et étudié dans des collisions proton-proton et proton-noyau au LHC. Mais les nouveaux résultats, décrits dans un article qui vient d'être accepté pour publication dans la revue Physical Review Letters, vont certainement retenir l'a ttention des expérimentateurs et des théoriciens, car l'analyse des quarks top dans les collisions d'ions lourds constitue un moyen novateur d'étudier le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en...) quarks-gluons qui se forme dans ces collisions, et qui aurait existé aux premiers moments de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). De plus, cette analyse pourrait jeter une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) nouvelle sur la disposition des quarks et des gluons à l'intérieur des noyaux lourds.

Si l'on cherche des particules "sondes", permettant d'étudier le plasma quarks-gluons, on n'a que l'embarras du choix. Les expériences LHC utilisent depuis longtemps plusieurs types de particules pour étudier les propriétés de cet état extrême de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...), dans lequel quarks et gluons ne sont pas confinés à l'intérieur de particules composites, mais flottent librement, avec peu de frottements. Cependant, avec toutes les sondes existantes, on obtient des informations sur le plasma correspondant à une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) calculée sur la durée. Au contraire, le quark top, en raison de la façon dont il se désintègre en d'autres particules, fournit en quelque sorte des instantanés du plasma à différents moments de sa vie (La vie est le nom donné :).

"Les quarks top qui se déplacent le plus rapidement donnent les instantanés les plus récents. En mettant ensemble les instantanés pris avec les quarks top sur toute une gamme de vitesse (On distingue :) différentes, nous espérons qu'il sera finalement possible de reconstituer le film de l'évolution du plasma quarks-gluons", explique Ghilherme Milhano, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de...) au CERN, co-auteur d'une étude théorique sur l'étude du plasma quarks-gluons au moyen des quarks top. "Le nouveau résultat de CMS représente la toute première étape sur cette voie. "

La collaboration CMS a décelé la présence de quarks top dans de grands échantillons de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) issus de collisions plomb-plomb à une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de 5,02 TeV. L'équipe s'est intéressée aux collisions produisant un quark top et un antiquark top. Ces quarks se désintègrent très rapidement en un boson W (Le boson W existe sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-. Les W+ et W- sont deux des trois bosons de jauge de l'interaction faible. Le troisième boson étant le boson Z) et un quark bottom, qui a leur tour se désintègrent très rapidement en d'autres particules. Les physiciens de CMS recherchaient le cas particulier où le produit final des désintégrations est constitué de leptons chargés (électrons ou muons, version plus massive (Le mot massif peut être employé comme :) de l'électron) et de "jets" de particules multiples provenant de quarks bottom.

Après avoir isolé et compté ces événements 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.) top-antitop, CMS a estimé la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance...) de production, dans des collisions plomb-plomb, de paires top-antitop via des leptons chargés et des quarks bottom. Le résultat a une signification statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) d'environ quatre écarts-types, et donc ne franchit pas le seuil des cinq écarts-types nécessaire pour que puisse être revendiquée une 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 la production de quarks top. Il représente toutefois une manifestation significative de ce processus: il n'y a qu'une probabilité de 0,003 % que le résultat soit un accident statistique. De plus, le résultat concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de Sud-Aviation (devenue par la suite l’Aérospatiale après sa fusion avec Nord-Aviation et...) avec les prédictions théoriques, ainsi qu'avec les extrapolations par rapport aux mesures précédentes de la probabilité dans des collisions proton-proton à la même énergie de collision.

"Notre résultat démontre la capacité de l'expérience CMS à effectuer des analyses incluant le quark top dans l'environnement complexe des collisions de noyaux lourds, explique Georgios Krintiras, 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...) à CMS et chercheur postdoctoral à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) du Kansas, et constitue le premier jalon en vue de l'utilisation du quark top comme sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques et...) nouvelle et puissante du plasma quarks-gluons."

Pour en savoir plus, voir le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le World Wide Web reposant sur Internet.) de CMS.
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