Measurements of inclusive and differential cross-sections of $t\bar{t}γ$ production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cette étude présente des mesures des sections efficaces inclusives et différentielles de la production de paires de quarks top avec un photon associé, en utilisant la distribution de l'impulsion transverse du photon pour contraindre les opérateurs de la théorie effective des champs liés aux moments dipolaires électrofaibles du quark top.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme une immense piste de course à grande vitesse où de minuscules particules appelées protons s'entrechoquent à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'elles entrent en collision, elles créent parfois une « famille » de particules lourdes appelées quarks top. Généralement, ces quarks top apparaissent par paires (un top et un anti-top) et se désintègrent immédiatement en d'autres particules.

Ce document est comme un bulletin de notes détaillé provenant du détecteur ATLAS, un gigantesque appareil photo observant cette piste de course. Les scientifiques ont étudié une énorme quantité de données (140 « femtobarns inverses », une façon sophistiquée de dire qu'ils ont observé environ 140 billions de collisions) pour étudier un événement très spécifique et rare : lorsqu'une paire de quarks top est créée, et qu'au même moment, un éclat de lumière (un photon) est projeté.

Voici une décomposition de ce qu'ils ont fait et trouvé, en utilisant des analogies simples :

1. L'objectif : Capturer un « éclat » spécifique

La plupart du temps, lorsque les quarks top sont créés, ils se contentent de se désintégrer. Mais parfois, l'une des particules impliquées dans le choc projette un photon (une particule de lumière) exactement au moment de la création.

• L'analogie : Imaginez deux voitures qui s'entrechoquent. Généralement, elles se froissent simplement. Mais dans ce cas rare, une étincelle jaillit du moteur exactement au moment de l'impact. Les scientifiques voulaient compter la fréquence de ce phénomène et mesurer précisément la vitesse à laquelle cette étincelle s'échappe.
• Pourquoi c'est important : Cette « étincelle » nous renseigne sur les règles invisibles (les forces) qui régissent la façon dont les quarks top interagissent avec la lumière. C'est comme vérifier si l'étincelle se comporte exactement comme le prévoit le livre de règles de la physique (le Modèle Standard), ou si elle fait quelque chose d'étrange qui suggère une nouvelle physique inconnue.

2. La traque : Trouver l'aiguille dans la botte de foin

Le détecteur ATLAS voit des milliards de collisions, mais la plupart ne sont que du « bruit » ou des événements communs. Trouver ces événements spécifiques de quark top plus un photon, c'est comme chercher un type d'aiguille bien précis dans une botte de foin.

• La stratégie : Les scientifiques ont construit un « filtre » (en utilisant des programmes informatiques appelés réseaux de neurones) pour trier les données. Ils ont recherché des indices spécifiques :
  • Le canal à lepton unique : Ils ont recherché des événements comportant un photon, un « lepton » (un cousin de l'électron, comme un muon) et un tas d'autres débris (jets), avec au moins un morceau étant un « b-jet » (un type spécifique de débris lourds).
  • Le canal dilepton : Ils ont également recherché des événements comportant deux photons et deux leptons.
• Le bruit de fond : Parfois, le détecteur est trompé. Une particule ordinaire peut ressembler à un photon, ou un jet peut imiter une étincelle. L'équipe a utilisé des mathématiques astucieuses et des « salles de contrôle » (des zones de données qu'ils savaient sûres) pour déterminer quelle part de ce qu'ils voyaient était réelle et quelle part n'était qu'un tour de passe-passe de la lumière.

3. Les résultats : Les chiffres correspondent à la théorie

Après avoir trié les données, ils ont compté les événements et mesuré leurs propriétés.

• Le décompte : Ils ont trouvé que cet événement spécifique se produit environ 319 fois pour chaque billion de collisions (mesuré en femtobarns).
• La comparaison : Ils ont comparé leur décompte à la prédiction du « livre de règles » (une simulation informatique appelée MadGraph). La prédiction était de 296.
• Le verdict : La différence entre 319 et 296 est suffisamment petite pour être expliquée par des erreurs de mesure normales. Les données correspondent parfaitement à la théorie actuelle. Il n'y a aucune preuve d'une « nouvelle physique » brisant les règles ici.

4. L'analyse approfondie : Vérifier les « moments dipolaires »

Les scientifiques ne se sont pas contentés de compter ; ils ont mesuré comment le photon se déplaçait. Ils ont observé la vitesse du photon (impulsion transverse) et sa distance par rapport aux autres particules.

• L'analogie : Imaginez que le quark top possède un minuscule « compas » magnétique à l'intérieur (appelé moment dipolaire). Si ce compas est légèrement décentré ou de forme étrange, l'étincelle (le photon) s'échapperait selon un angle ou une vitesse différente de ce qui est attendu.
• Le test : Ils ont utilisé un cadre mathématique appelé Théorie des Champs Effectifs (EFT) pour tester si ces « compas » se comportaient normalement. Ils ont vérifié si les données correspondaient à la forme standard ou si elles étaient étirées ou écrasées.
• Le résultat : Les données correspondent parfaitement à la forme standard. Ils ont également combiné cela avec des données d'un processus similaire impliquant un boson Z (une autre particule lourde) pour obtenir une emprise encore plus serrée sur les règles. Tout correspond toujours au Modèle Standard.

Résumé

En bref, l'équipe ATLAS a pris un instantané massif des collisions les plus énergétiques de l'univers pour observer un événement rare où une paire de quarks top projette un photon. Ils les ont comptés, ont mesuré leur vitesse et ont vérifié s'ils suivaient les lois connues de la physique. Tout ce qu'ils ont trouvé correspond exactement à ce que les lois actuelles de la physique prédisent. Bien qu'ils n'aient pas découvert une « nouvelle » force de la nature, confirmer que les règles actuelles fonctionnent parfaitement à ces hautes énergies est une victoire cruciale pour notre compréhension de l'univers.

Résumé technique

Résumé technique : Mesures des sections efficaces inclusives et différentielles de la production de $t\bar{t}\gamma$

Problématique et motivation
La production associée d'une paire de quarks top et d'un photon ($t\bar{t}\gamma$) constitue une sonde critique pour l'interaction électrofaible entre le quark top et le photon ($t-\gamma$). Ce processus est particulièrement sensible aux potentiels moments dipolaires anormaux du quark top, qui peuvent être interprétés dans le cadre des théories effectives des champs (EFT). Bien que le rayonnement de photons dans les événements $t\bar{t}$ puisse provenir des quarks initiaux, des quarks top eux-mêmes ou des produits de désintégration chargés, cette analyse cible spécifiquement l'étape de production où le photon est rayonné. Cette topologie offre la plus grande sensibilité à la liaison $t-\gamma$. L'objectif principal est de mesurer les sections efficaces inclusives et différentielles afin de contraindre les opérateurs EFT liés aux moments dipolaires électrofaibles du quark top.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) lors de la période de fonctionnement Run 2, correspondant à une luminosité intégrée de $140 \text{ fb}^{-1}$ à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$. L'étude considère à la fois les canaux de désintégration à un seul lepton et à deux leptons du système $t\bar{t}$.

• Sélection des événements :

  • Canal à un seul lepton : Les événements sont sélectionnés contenant exactement un photon et un lepton isolé (électron ou muon), au moins quatre jets reconstruits, et au moins un jet avec étiquetage $b$ ($b$-tag).
  • Canal à deux leptons : Les événements requièrent exactement deux leptons de charges opposées et isolés ($ee$, $e\mu$, ou $\mu\mu$), au moins deux jets, et au moins un jet avec étiquetage $b$.
  • Coupures cinématiques : Des exigences cinématiques supplémentaires sont appliquées pour supprimer les bruits de fond. Plus précisément, la distance angulaire $\Delta R = \sqrt{(\Delta\phi)^2 + (\Delta\eta)^2}$ entre le photon et les leptons, ainsi qu'entre les jets et le photon/les leptons, doit être supérieure à 0,4.

• Estimation du bruit de fond :
  Les bruits de fond sont classés selon que le photon est prompt ou un objet mal reconstruit.

  • Photons prompts : Estimés à l'aide de simulations de Monte Carlo (MC) pour les processus incluant $t\bar{t}\gamma$, $W/Z$, top simple, diboson, et $t\bar{t}$ associé à des bosons $W/Z$.
  • Photons faux/mal identifiés : Estimés à l'aide de méthodes basées sur les données. Les électrons mal reconstruits sont estimés en utilisant des régions de contrôle enrichies en événements $Z \to e\gamma$ et $Z \to ee$. Les jets mal reconstruits ou les photons d'origine hadronique sont estimés via la méthode ABCD.

• Extraction du signal :
  Des réseaux de neurones (NN) sont employés pour améliorer la séparation entre le signal et le bruit de fond.

  • Dans le canal à un seul lepton, un NN à quatre classes définit une région de signal enrichie en production $t\bar{t}\gamma$ et trois régions de contrôle enrichies en désintégration $t\bar{t}\gamma$, en faux photons et en autres événements $t\bar{t}\gamma$.
  • Dans le canal à deux leptons, un classificateur binaire sépare les événements de production $t\bar{t}\gamma$ de tous les bruits de fond.
  • Les sections efficaces inclusives sont dérivées d'un ajustement simultané de type profil de vraisemblance (profile-likelihood fit) à travers les régions de signal et de contrôle.

Contributions clés et résultats
L'article présente des mesures de sections efficaces au niveau des particules stables dans un espace de phase fiduciaire défini par un moment transverse ($p_T$) élevé pour les photons et des multiplicités spécifiques de jets et de leptons.

• Section efficace inclusive : La section efficace inclusive combinée pour la production $t\bar{t}\gamma$ est mesurée à :
  $$\sigma_{t\bar{t}\gamma \text{ production}} = 319 \pm 15 \text{ fb} = 319 \pm 4 \text{ (stat)} +15_{-14} \text{ (syst) fb}.$$
  L'incertitude est dominée par la modélisation des processus $t\bar{t}\gamma$. Ce résultat est compatible avec la prédiction au niveau suivant (NLO) de MadGraph5_aMC@NLO+Pythia 8, qui est de $296^{+29}_{-30} \text{ (échelle)} +6_{-4} \text{ (PDF) fb}$.

• Sections efficaces différentielles : Les sections efficaces différentielles sont mesurées en fonction des variables cinématiques du photon et des séparations angulaires entre le photon, les leptons et les jets. Les distributions sont comparées aux prédictions MC (MG5_aMC+P8 et MG5_aMC+H7).

• Interprétation EFT : Les résultats sont interprétés dans le contexte de la théorie effective des champs du Modèle Standard (SMEFT). L'analyse teste la sensibilité du processus $t\bar{t}\gamma$ aux opérateurs de dipôle $C_{tB}$ et $C_{tW}$, qui se couplent respectivement aux bosons de jauge d'hypercharge faible et d'isospin faible.

  • Des limites sur les coefficients de Wilson sont dérivées de la mesure de la section efficace différentielle du $p_T$ du photon.
  • Un ajustement simultané est effectué en utilisant le spectre du $p_T$ du photon de $t\bar{t}\gamma$ et le spectre du $p_T$ du boson $Z$ issu des mesures de $t\bar{t}Z$, tirant parti du fait que les mêmes opérateurs modifient les deux processus.
  • Les résultats sont également présentés dans la base rotatée $(C_{tZ}, C_{t\gamma})$ pour évaluer la pertinence des mesures individuelles.

Signification et affirmations
L'article affirme que les sections efficaces et les distributions différentielles mesurées sont cohérentes avec les prédictions du Modèle Standard au sein des incertitudes. La principale signification réside dans l'utilisation de ces mesures pour fixer des contraintes sur les paramètres EFT liés aux moments dipolaires électrofaibles du quark top. En combinant les données $t\bar{t}\gamma$ et $t\bar{t}Z$, l'analyse fournit un pouvoir de contrainte complémentaire sur les coefficients de Wilson. Toutes les limites dérivées sur les parties réelles et imaginaires des coefficients sont jugées compatibles avec les prédictions du Modèle Standard, aucune preuve de moments dipolaires anormaux n'ayant été observée dans l'ensemble de données actuel.