Le quark top est très particulier. C’est la particule élémentaire connue la plus lourde. Elle a donc une interaction forte avec le boson de Higgs. Les interactions du quark top avec les autres particules offrent des pistes de recherches prometteuses dans le domaine de la physique dépassant le cadre du Modèle standard. En mesurant précisément ses propriétés grâce à des processus rares, les physiciens peuvent étudier de nouveaux phénomènes de physique à très hautes énergies.

Lors des Rencontres de Moriond qui ont eu lieu le mois dernier, la collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a annoncé avoir observé l’un de ces processus rares : la production d’un quark top unique en association avec un photon par l’interaction électrofaible. De par sa signification statistique bien supérieure à cinq écarts types, le résultat représente la première observation de la production de quark top-photon. Cette observation était loin d’être simple, étant donné le grand nombre d’événements de collisions en bruit de fond imitant l’événement observé.

Dans cette nouvelle analyse, les chercheurs d’ATLAS ont étudié l’intégralité de l’ensemble de données de la deuxième exploitation du LHC enregistrées par le détecteur entre 2015 et 2018. Ils se sont concentrés sur les événements de collisions dans lesquels le quark top se désintègre via un boson W en un électron, ou en un muon et un neutrino, et un quark bottom. Ils ont ensuite affiné leurs recherches en s’intéressant à une caractéristique particulière des événements quark top-photon : un « jet vers l’avant » correspondant à une gerbe de particules fréquemment générée et diffusée dans les petits angles des faisceaux de protons du LHC.

Pour séparer les événements quark top-photon des événements du bruit de fond, les chercheurs d’ATLAS ont utilisé un réseau neuronal, alimenté par un certain nombre de variables ou d’éléments, capable de déterminer la combinaison de caractéristiques qui permet de classifier le plus précisément un événement identifié dans les données d’après le type de bruit de fond ou de signal.

La signification statistique de la mesure de la production de quark top-photon par ATLAS correspond à 9,1 écarts types. Ce chiffre est largement supérieur au seuil de 5 écarts types requis pour revendiquer l’observation d’un processus dans le domaine de la physique des particules. La signification attendue d’après la prédiction du Modèle standard était de 6,7 écarts types.

Cette mesure très intéressante permettra aux physiciens de rechercher des indices de nouvelles interactions qui sont hors d’atteinte pour le LHC. On pourra en particulier utiliser ce processus pour en déduire des éléments concernant de nouvelles particules susceptibles d’altérer l’interaction quark top-photon. À l’avenir, d’autres études plus approfondies devraient faire appel à de nouvelles techniques d’analyse et à un ensemble de données bien plus important provenant de la troisième exploitation du LHC, ce qui ouvre des perspectives prometteuses.

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Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais).