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Candidat quatre tops avec trois leptons, sept jets dont quatre sont étiquetés provenant de quark b.
Étant la particule la plus lourde du modèle standard, le quark top peut être la clé de compréhension du mécanisme de génération de la masse des particules élémentaires. L'étude de la production de quatre quarks top est particulièrement intéressante à ce sujet car l'existence de nouvelles particules ou de nouvelles forces pourrait altérer le taux de production de quatre quarks top prédit par le modèle standard.
La collaboration ATLAS a déjà mis en évidence cette production en 2020 en analysant l'ensemble des données du Run-2 du LHC à 13 TeV enregistrées entre 2015 et 2018 (cf. FM ci-dessous). La recherche a été effectuée dans le canal où deux ou trois quarks top se désintègrent en leptons, conduisant à un état final avec deux leptons de même charge ou trois leptons. Même si ces signatures ne correspondent qu'à 13% de l'ensemble des désintégrations possibles des quatre quarks top, elles ont l'avantage d'être contaminées par moins de bruit de fond, ce qui permet d'isoler le signal plus facilement.
Comparaison de la sortie du GNN entre les données (points noirs) et les prédictions après ajustement aux données. Le signal de quatre quarks top est montré en rouge.
Pour ce nouveau résultat, les physiciens d'ATLAS ont revisité l'analyse du même lot de données en exploitant les derniers développements sur les performances du détecteur et sur les algorithmes d'identification des particules grâce à une connaissance approfondie au cours des années, en utilisant de nouvelles techniques d'analyse et une meilleure compréhension des bruits de fond principaux. En particulier, une nouvelle technique d'estimation du bruit de fond principal, basée directement sur des régions de contrôle a été mise au point. Pour augmenter encore la séparation entre le signal de quatre quarks top et le bruit de fond, un algorithme d'intelligence artificielle plus sensible, appelé réseau de neurones graphiques (GNN) a été utilisé. La sortie de ce GNN est montré sur la figure ci-dessous démontrant son pouvoir de séparation entre le signal (en rouge) et les différents bruits de fond.
Ces améliorations ont finalement permis à la collaboration ATLAS d'augmenter significativement la sensibilité de l'analyse et d'annoncer l'observation de la production simultanée de quatre quarks top avec une signification statistique de 6.1 déviations standard (au delà des 5 déviations standard usuellement utilisées comme seuil d'observation). Le taux de production mesuré est 1.9 fois plus grand que la prédiction du modèle standard, mais est cependant compatible avec lui du fait de la taille des erreurs sur la mesure.
En plus de la mesure du taux de production de quatre quarks top, les physiciens d'ATLAS ont également recherché des signes de nouvelle physique dans cette production en particulier dans le coupling du quark top avec le boson de Higgs ou avec des gluons ou d'autre quark top, sans succès pour le moment.
La collaboration ATLAS va continuer sa quête de précision avec le Run-3 du LHC qui a commencé en 2022. Les nouvelles données collectées à une énergie plus élevée de 13,6 TeV permettront de savoir si le signal est vraiment conforme aux prédictions du modèle standard ou s'il cache de nouveaux phénomènes, encore inconnus.