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Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cette étude n'a trouvé aucune preuve de trous noirs quantiques dans les états finaux lepton+jet, fixant une limite de seuil de masse inférieure de 8,8 TeV dans le modèle Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali et de 6,3 TeV dans le modèle Randall-Sundrum.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-08-25

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'univers tel que nous le comprenons est construit sur un fondement de particules et de forces, un cadre connu sous le nom de Modèle Standard. Cette théorie explique avec succès comment la matière se comporte et interagit, pourtant elle laisse un mystère profond non résolu : pourquoi la gravité est-elle si incroyablement faible par rapport aux autres forces fondamentales ? Alors qu'un aimant peut soulever un trombone contre toute la force d'attraction gravitationnelle de la Terre, la gravité reste la plus faible des forces de la nature par une marge stupéfiante. Pour résoudre ce déséquilibre, certains physiciens ont proposé que la gravité ne soit pas confinée aux trois dimensions de l'espace que nous expérimentons. Au lieu de cela, elle pourrait fuir dans des dimensions supplémentaires cachées qui sont trop petites pour que nous puissions les voir. Si ces dimensions supplémentaires existent, elles abaisseraient l'échelle d'énergie requise pour que la gravité devienne forte, permettant potentiellement de se manifester de manières que nous pouvons détecter.

Dans ce scénario, si deux particules entrent en collision avec suffisamment d'énergie, elles pourraient ne pas simplement rebondir l'une sur l'autre ; elles pourraient former momentanément un petit objet fugace connu sous le nom de trou noir quantique. Contrairement aux trous noirs massifs situés au centre des galaxies, qui sont si lourds qu'ils engloutissent tout ce qui se trouve à proximité, ces versions quantiques seraient microscopiques et disparaîtraient presque instantanément. Elles se désintégreraient immédiatement en un jet d'autres particules. La question est de savoir si nous pouvons entrevoir ces moments fugaces avant qu'ils ne disparaissent. Si nous pouvons les trouver, ce serait la preuve directe que les dimensions supplémentaires existent et que la gravité se comporte différemment aux plus petites échelles que dans notre monde quotidien.

Au Grand Collisionneur de Hadrons, un accélérateur de particules massif enfoui sous terre près de Genève, les scientifiques font entrer des protons en collision à des vitesses proches de celle de la lumière pour recréer les conditions extrêmes de l'univers primordial. Le détecteur ATLAS, une machine colossale de la taille d'une cathédrale, enregistre les débris de ces collisions. Dans une étude récente, la collaboration ATLAS a utilisé des données correspondant à 140 femtobarns inverses de luminosité intégrée pour rechercher la signature spécifique de ces trous noirs quantiques. Ils cherchaient un événement très particulier : une collision produisant un électron de haute énergie ou un muon (un cousin lourd de l'électron) apparié avec un jet de particules. Dans les modèles que les chercheurs testaient, un trou noir quantique se formerait et se désintégrerait ensuite exactement en cette combinaison : un lepton et un quark, ce dernier apparaissant sous la forme d'un jet.

L'équipe a analysé les données en se concentrant sur l'énergie totale, ou masse invariante, de ces paires électron-jet et muon-jet. Si un trou noir quantique avait été créé, il serait apparu comme un pic soudain dans le nombre d'événements à une masse élevée spécifique, se détachant nettement du fond lisse et prévisible des interactions de particules ordinaires. Les chercheurs ont recherché ces pics dans une région où la masse est supérieure à 2,0 TeV, un seuil suffisamment élevé pour garantir qu'ils observent de la nouvelle physique plutôt que des processus connus. Ils ont examiné les données avec un soin extrême, tenant compte de chaque source possible d'erreur et de bruit de fond, de la manière dont le détecteur mesure l'énergie aux effets subtils de collisions multiples se produisant simultanément.

Le résultat fut un portrait clair et cohérent de l'univers connu. La distribution des points de données concordait avec les prédictions du Modèle Standard dans les incertitudes attendues. Il n'y a eu aucun pic inattendu, aucune augmentation soudaine d'événements pouvant être attribuée à la formation d'un trou noir quantique. Les données observées ressemblaient exactement à ce que les scientifiques s'attendaient à voir si seules des particules ordinaires interagissaient. Cette absence de signal est, en soi, une découverte significative. Elle permet aux chercheurs d'établir des limites strictes sur la façon dont ces trous noirs quantiques pourraient être lourds. Ils ont déterminé que si ces objets existent, ils doivent être plus lourds que 8,8 TeV dans le modèle avec six dimensions supplémentaires, et plus lourds que 6,3 TeV dans le modèle avec une dimension supplémentaire.

Ces nouvelles limites représentent une amélioration substantielle par rapport aux recherches précédentes. En repoussant la limite de ce qui est possible de détecter, l'étude élimine efficacement l'existence de trous noirs quantiques dans les plages de masses inférieures qui étaient auparavant accessibles. Cela nous indique que si la nature cache ces dimensions supplémentaires et les trous noirs quantiques associés, ils se cachent à des énergies encore plus élevées que ce que nous avons pu atteindre jusqu'à présent. La recherche continue, mais pour l'instant, l'univers reste silencieux sur la présence de ces objets quantiques spécifiques dans la plage d'énergie explorée par le détecteur ATLAS. Le Modèle Standard tient bon, et la quête pour trouver les fissures dans ses fondations doit se déplacer vers des énergies encore plus élevées.

Résumé technique : Recherche de la production de trous noirs quantiques dans les états finaux lepton+jet à $\sqrt{s}=13$ TeV

Problème et motivation
Cet article traite de la recherche des trous noirs quantiques (QBH pour Quantum Black Holes), une prédiction des modèles de gravité quantique à faible échelle qui proposent des solutions au problème de la hiérarchie des masses du Modèle Standard (SM) en proposant d'abaisser l'échelle de la gravité quantique ( $M_D$ ) de l'échelle de Planck ( $\sim 10^{16}$ TeV) vers la région du TeV (1–10 TeV). L'analyse se concentre sur deux cadres théoriques spécifiques : le modèle Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (ADD), qui postule de grandes dimensions supplémentaires ( $n=6$ dans cette analyse), et le modèle Randall-Sundrum (RS1), qui implique une dimension supplémentaire courbée unique ( $n=1$ ).

Contrairement aux trous noirs semi-classiques qui se désintègrent via un rayonnement de Hawking en états finaux multiparticulaires, les QBH sont postulés comme se désintégrant en états finaux à deux particules (spécifiquement un lepton et un quark) tout en conservant le moment angulaire total, la couleur et la charge électrique, bien qu'ils puissent potentiellement violer les symétries globales telles que le nombre baryonique ou leptonique. L'étude cible les spectres de masse invariante ( $m_{inv}$ ) lepton+jet ( $e$ +jet et $\mu$ +jet) pour identifier de telles résonances.

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s}=13$ TeV au cours de la période 2015–2018.

Sélection d'événements : Les événements candidats doivent contenir un lepton de tête (électron ou muon) et un jet de tête, tous deux avec une impulsion transverse ( $p_T$ ) supérieure à 130 GeV. La masse invariante ( $m_{inv}$ ) de la paire lepton+jet doit être supérieure à 2,0 TeV. Les leptons secondaires avec $p_T > 10$ GeV sont éliminés par veto, et les jets secondaires doivent avoir un $p_T < 130$ GeV pour supprimer le bruit de fond du Modèle Standard.
Estimation du bruit de fond : Le bruit de fond dominant est $W$ $W$ +jets, suivi des contributions de $Z$ $Z$ +jets, de la paire quark-antiquark top ( $t\bar{t}$ $t \overset{ˉ}{t}$ ), du top simple, des dibosons et des processus multijets.
- Les normalisations de $W$ +jets, $Z$ +jets et $t\bar{t}$ sont contraintes à l'aide de régions de contrôle (CR) dédiées, orthogonales à la région de signal (SR), et validées dans des régions de validation (VR).
- Le bruit de fond multijet dans le canal électron est estimé par une méthode de matrice (Matrix Method) basée sur les données.
- Dans le canal muon, le bruit de fond de leptons faux/non-prompt est négligeable (<0,5 % du bruit de fond total).
Modélisation du signal : Les échantillons de signal QBH sont générés à l'aide du générateur QBH 3.0, interfacé avec Pythia 8 pour la cascade de partons et l'hadronisation. La simulation suppose des interactions de partons sans masse et conserve le moment angulaire total. La masse de seuil ( $M_{th}$ ) est fixée égale à $M_D$ .
Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance de profil est effectué à l'aide du cadre HistFitter. L'analyse emploie à la fois des ajustements indépendants du modèle (testant tout signal non-SM) et des ajustements dépendants du modèle (spécifiquement pour les scénarios ADD et RS1). Les incertitudes systématiques, incluant l'échelle/résolution d'énergie des jets, l'identification des leptons et les incertitudes de modélisation, sont traitées comme des paramètres de nuisance. Un facteur de correction ( $R_c \approx 0,37$ ) est appliqué pour tenir compte des effets de rayonnement QCD d'ordre supérieur, qui déforment autrement l'acceptation du signal en raison du veto sur les jets secondaires.

Contributions clés et résultats
Le spectre de masse invariante observé des paires lepton+jet est cohérent avec les attentes du Modèle Standard sur toute la plage, aucun excès significatif n'ayant été observé dans les canaux électron+jet ou muon+jet.

Limites supérieures : Des limites supérieures à un niveau de confiance de 95 % (C.L.) sont établies sur la section efficace de production multipliée par la fraction de branchement ( $\sigma \times \mathcal{B}r$ ) pour les QBH se désintégrant en un lepton et un quark.
Limites de seuil de masse :
- Dans le modèle ADD ( $n=6$ ), la limite de seuil de masse inférieure est établie à 8,8 TeV.
- Dans le modèle RS1 ( $n=1$ ), la limite de seuil de masse inférieure est établie à 6,3 TeV.
Limites indépendantes du modèle : Pour un signal non-SM avec $m_{inv} > 5$ TeV, la limite supérieure sur $\sigma \times \mathcal{B}r$ est de 0,052 fb pour le canal combiné.

Signification
L'article affirme que ces résultats représentent une amélioration significative par rapport aux recherches précédentes. Plus précisément :

La limite sur la masse de seuil des QBH pour le modèle ADD est 3,5 TeV plus élevée que le résultat précédent d'ATLAS obtenu à 8 TeV.
Les limites obtenues montrent une amélioration d'un facteur 3,5 par rapport à la limite supérieure précédente de $\sigma \times \mathcal{B}r$ indépendante du modèle.
Il s'agit de la première fois qu'une limite sur la masse de seuil des QBH pour le modèle RS1 est déterminée dans le mode de désintégration lepton+jet.

L'analyse démontre que le canal lepton+jet, bien que généralement moins sensible que les recherches dijet, fournit des contraintes complémentaires sur la production de QBH avec des nombres quantiques différents et peut efficacement contraindre les modèles violant les symétries globales baryon-lepton. Les résultats imposent des contraintes strictes sur les scénarios de gravité quantique à faible échelle dans les plages de masses testées.

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