Précison inégalée sur la masse du quark top

Publié par Publication le 25/03/2014 à 00:00
Source: CEA
Une collaboration inédite de quatre grandes expériences du LHC et du Tevatron précise la masse du quark top.

Les scientifiques collaborant aux expériences de physique des particules au Tevatron (Fermilab) et au LHC (Cern) viennent d'atteindre une précision inégalée sur la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de la particule la plus lourde du modèle standard: le quark top (Le quark top (souvent abrégé en quark t) est un quark, une particule...). Ceci pourrait donner des clés pour rechercher la nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) au-delà du modèle standard. Les chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les lois fondamentales de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (CEA Irfu) et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) sont associés à ces résultats.


Les expériences ATLAS, CDF, CMS et D0 qui ont combiné leurs mesures pour atteindre une précision inégalée sur la masse du quark top. Illustration: CEA

Les physiciens des expériences Atlas, CDF, CMS et D0 ont, pour la première fois, joint leurs forces pour combiner leurs données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) et produire le premier résultat commun issu des deux plus puissants collisionneurs au monde (Le mot monde peut désigner :): le Tevatron à Fermilab près de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à...) et le LHC au Cern près de Genève. Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...), les quatre expériences ont permis d'atteindre une précision inégalée de 0,4 % sur la masse de la particule la plus lourde du modèle standard: le quark top. Cette combinaison (Une combinaison peut être :) de onze mesures individuelles (dont deux directement issues du travail des physiciens français) a nécessité une collaboration étroite entre les quatre expériences afin de maîtriser les détails des techniques d'analyse et d'estimer les incertitudes.

Le LHC (Cern, Europe), en fonctionnement depuis 2009, et le Tevatron (Fermilab, Etats-Unis), arrêté depuis 2011, sont les deux seules machines à avoir l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) nécessaire pour produire directement le quark top, la particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers...) la plus lourde connue actuellement. La grande masse du quark top (près de 200 fois celle d'un proton) confère à ce quark des caractéristiques très particulières. Il constitue un des objets d'étude les plus importants dans la recherche de nouvelle physique au-delà du modèle standard. Mesurer sa masse avec une grande précision est un défi que les équipes du Tevatron et du LHC ont relevé depuis la découverte du quark top en 1995 au Tevatron. Le Tevatron a produit environ 300 000 événements contenant une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) top-antitop au cours de ses 25 ans de vie (La vie est le nom donné :). Le LHC depuis son démarrage est une véritable "usine à top" avec près de 20 millions d'événements top produits.

Chacune des quatre collaborations avait déjà publié des mesures individuelles de masse du quark top en analysant les différents canaux de désintégration du quark top par des méthodes de plus en plus sophistiquées au cours des vingt ans de recherche dans ce domaine. Mais c'est seulement en combinant leur expertise et les informations extraites de leurs données respectives que les quatre équipes ont pu atteindre ce niveau de précision. Ainsi onze résultats individuels ont été combinés pour atteindre la meilleure mesure au monde de la masse du quark top: 173,34 ± 0,76 GeV/c2, c'est à dire une précision de l'ordre de 0,4 %. Ceci correspond à une amélioration de 30 % par rapport à la meilleure mesure individuelle. Cette mesure très précise va permettre aux physiciens de tester en détail le modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils,...) qui relie grâce à la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) la masse du quark top, la masse du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...) découvert en 2012 et la masse du boson W (Le boson W existe sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-. Les W+ et W-...), vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) faible. Ceci permettra de rechercher des incohérences éventuelles dans le modèle standard et des signes de modèles physiques qui conduiraient à une meilleure compréhension des constituants de l'Univers. La mesure précise de la masse du quark top est également cruciale pour confirmer que le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) de notre univers est bien stable. Ce nouveau résultat est présenté aux rencontres internationales de Moriond, en Italie, le 19 mars 2014, une conférence organisée chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) par la communauté française et devenue un rendez-vous incontournable pour les physiciens des particules du monde entier.


Cette figure montre un résumé des mesures de masse du quark top issues des quatre expériences ATLAS, CDF, CMS et D0 avec le résultat combiné de l'analyse conjointe. Illustration: CEA

Les équipes de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (CEA-Irfu) et du CNRS étudient le quark top depuis de nombreuses années au sein des quatre grandes expériences du Cern et du Fermilab. Les physiciens de l'Irfu et du CNRS coordonnent une partie des études sur le quark top dans ces expériences. Deux des mesures individuelles qui entrent dans la combinaison sont directement issues du travail des équipes françaises. Ce premier résultat commun ouvre la voie à la combinaison d'autres résultats et permettra, par une plus grande coopération entre les expériences, de pousser toujours plus loin les frontières de la connaissance.

Unité de mesure des masses en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...)

Dans le domaine de la physique des particules, les énergies sont usuellement exprimées en gigaélectronvolt (GeV). 1 GeV correspond à 1,6x10-10 Joule. Du fait de la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) (E=mc2), à partir de l'énergie d'une particule en GeV, il est possible d'en exprimer la masse en divisant son énergie par le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...). La masse de la particule est alors exprimée en GeV/c².
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