Lors des collisions entre protons qui se produisent au Grand collisionneur de hadrons (LHC), des paires de quarks top (le quark top étant la plus lourde des particules élémentaires) sont fréquemment produites en même temps que d’autres quarks lourds, notamment des quarks bottom et charmés. Ces collisions apportent des renseignements précieux sur la chromodynamique quantique, théorie qui décrit la force forte. En déterminant précisément les taux de production (ou sections efficaces) de ces processus, les scientifiques sont également capables de les distinguer plus efficacement de phénomènes plus rares.

Dans deux études récentes, la collaboration ATLAS a analysé les données de collision proton-proton issues de la deuxième période d’exploitation du LHC (2015-2018), afin de mesurer à quelle fréquence des paires de quarks top sont produites en même temps que des quarks bottom ou charmés, et d’étudier en détail les dynamiques de ces processus.

La première étude d’ATLAS portait sur la fréquence à laquelle des paires de quarks top sont produites en même temps que des jets de particules issus de quarks bottom (jets-b). Pour identifier (ou étiqueter) ces jets-b avec une grande précision, des scientifiques ont utilisé des algorithmes d’étiquetage des saveurs, outils servant à rechercher des schémas spécifiques, liés par exemple à la longueur du trajet accompli par les particules dans le détecteur ATLAS avant de se désintégrer.

En analysant des événements faisant intervenir des paires électron-muon de charges opposées et au moins trois ou quatre jets-b, des scientifiques d’ATLAS ont réalisé les mesures les plus précises à ce jour du total de sections efficaces pour ce processus de production de paires de quarks top dans ces catégories d’événements. Ces mesures surpassent la précision des prédictions théoriques actuelles, particulièrement dans les événements impliquant un plus grand nombre de jets-b. Les résultats ont été comparés à de nombreuses prédictions théoriques, afin d’évaluer la précision de la modélisation de ce processus.

Les scientifiques ont également examiné des propriétés liées au mouvement, ou propriétés cinématiques, telles que l’impulsion des jets-b et l’énergie totale des jets, afin de vérifier à quel point les simulations de la production de paires de quarks top sont conformes aux données. Les résultats montrent que dans certains domaines, les modèles théoriques ont besoin d’être améliorés si l’on veut mieux saisir les subtilités de la production de jets-b supplémentaires.

La seconde étude d’ATLAS, présentée récemment lors du 17e atelier international sur la physique des quarks top, a franchi un nouveau cap en apportant la première mesure spécifique réalisée par ATLAS de la fréquence à laquelle des paires de quarks top sont produites en même temps que des jets issus de quarks charmés (jets-c). Les physiciens d’ATLAS ont analysé des événements faisant intervenir un ou deux leptons (électrons et muons), en utilisant un algorithme sur mesure d’étiquetage des saveurs, développé spécialement pour cette étude afin de distinguer les jets-c des jets-b et d’autres jets. Cet algorithme a joué un rôle essentiel, car les jets-c sont encore plus difficiles à identifier que les jets-b : leur durée de vie est plus courte et la signature qu’ils laissent dans le détecteur ATLAS moins distincte.

L’étude a montré que la plupart des modèles théoriques étaient globalement conformes aux données, même si leurs prédictions sous-estimaient le taux de production des jets-c. Ces résultats, dans lesquels, pour la première fois, étaient déterminées séparément les sections efficaces correspondant à la production simple ou multiple du quark charmé dans des événements faisant intervenir des paires de quarks top, montrent la nécessité de simulations perfectionnées de ces processus pour l’amélioration des mesures futures.

Ces deux études combinées permettent de mieux comprendre la relation des quarks top avec les quarks bottom et charmés dans le cadre de la chromodynamique quantique. En outre, elles ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur des processus plus rares concernant les quarks top (comme la production simultanée de quatre quarks top), qui pourraient repousser les frontières de nos connaissances en physique.

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