LHC: première observation de la rare production simultanée de 4 quarks top

La collaboration ATLAS a annoncé à la conférence Moriond l'observation de la production simultanée de quatre quarks top. C'est un des processus les plus rares et les plus lourds jamais observé au Large Hadron Collider (LHC). Cette mesure, coordonnée par l'Irfu, permet de tester le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) dans ses prédictions les plus complexes.


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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) du Run-2 du LHC à 13 TeV enregistrées entre 2015 et 2018 (cf. FM ci-dessous). La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) 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 (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....), ce qui permet d'isoler le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) plus facilement.


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 (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) a été mise au point. Pour augmenter encore la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) entre le signal de quatre quarks top et le bruit de fond, un algorithme d'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens...) plus sensible, appelé réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) 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 (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) 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 (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...) 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.