Measurements of $t\bar{t}$ in association with charm quarks at 13 TeV with the ATLAS experiment

En utilisant l'ensemble complet des données du Run 2 à 13 TeV, la collaboration ATLAS a réalisé sa première mesure de la section efficace inclusive de la production de paires de quarks top en association avec des quarks charme, trouvant que bien que les résultats concordent largement avec diverses prédictions de simulation, tous les modèles sous-estiment les valeurs observées.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme le plus puissant briseur de particules au monde. Lorsque les scientifiques font entrer des protons en collision à une vitesse proche de celle de la lumière, ils créent une explosion chaotique de nouvelles particules, un peu comme si l'on brisait deux montres l'une contre l'autre et que l'on regardait les engrenages, les ressorts et le verre voler partout.

La plupart du temps, les physiciens recherchent les « joyaux rares » dans ces débris — des particules exotiques qui pourraient révéler de nouvelles lois de la physique. Cependant, il existe un bruit de fond très commun et désordonné qui rend la découverte de ces joyaux difficile : les paires de quarks top.

Le Problème : L'embouteillage des « Quarks Top »

Les quarks top sont les particules élémentaires les plus lourdes connues. Lorsqu'ils sont produits par paires (appelées $t\bar{t}$), ils se désintègrent presque toujours en d'autres particules. Parfois, ce processus crée accidentellement des particules lourdes supplémentaires appelées quarks charme ou quarks beauté.

Imaginez une paire de quarks top comme une autoroute très fréquentée. Normalement, vous vous attendez à ne voir que les voitures principales (les quarks top). Mais parfois, l'autoroute se retrouve encombrée de camions de livraison supplémentaires (les quarks charme). Ces camions sont une nuisance car ils ressemblent beaucoup aux « joyaux » rares que les scientifiques essaient de trouver (comme le boson de Higgs). Si vous ne savez pas exactement combien de camions circulent habituellement sur la route, vous ne pouvez pas distinguer si un nouveau camion est un trafic normal ou une livraison spéciale.

La Mission : Compter les camions « Charme »

Ce document décrit la première fois où l'équipe de l'expérience ATLAS a tenté de compter exactement combien de quarks charme apparaissent aux côtés des paires de quarks top.

Avant cela, les scientifiques possédaient de bonnes cartes (prédictions théoriques) pour la fréquence à laquelle les quarks top apparaissent avec des quarks beauté, mais ils n'avaient que des suppositions très vagues pour les quarks charme. C'était comme essayer de naviguer dans une ville avec une carte parfaite pour les routes principales, mais sans aucune carte pour les rues secondaires.

Le Travail de Détective : Les lunettes de « Flavor-Tagging »

Pour résoudre cela, l'équipe avait besoin d'un moyen de différencier les différents types de « camions » (jets de particules) sortant de la collision.

• Le Défi : Les outils standards sont excellents pour repérer les quarks beauté mais médiocres pour repérer les quarks charme.
• La Solution : L'équipe a conçu un algorithme de « flavor-tagging » personnalisé. Imaginez porter des lunettes de haute technologie qui peuvent instantanément étiqueter chaque jet de particules comme « Léger », « Charme » ou « Beauté » avec une grande confiance. Cela leur a permis de trier les débris en piles spécifiques :
  1. Événements avec deux ou plus de jets de charme.
  2. Événements avec exactement un jet de charme.

L'Expérience : Trier les débris

L'équipe a analysé une quantité massive de données collectées entre 2015 et 2018 (140 « femtobarns inverses », une façon élégante de dire « un énorme tas de collisions »). Ils ont recherché des motifs spécifiques où les quarks top se désintégraient en électrons ou en muons (des cousins plus légers des électrons) et ont ensuite vérifié les débris restants pour ces étiquettes de charme.

Ils ont mis en place une « salle de contrôle » avec différentes zones :

• Régions de Signal : Là où ils s'attendaient à trouver les événements riches en charme.
• Régions de Contrôle : Là où ils savaient qu'ils ne trouveraient pas de charme, simplement pour s'assurer que leurs estimations de bruit de fond étaient correctes.

Les Résultats : La carte était proche, mais imprécise

Après avoir analysé les chiffres, l'équipe a constaté :

1. Ils ont trouvé le charme : Ils ont réussi à mesurer le taux auquel les paires de quarks top apparaissent avec des quarks charme pour la première fois.
2. Les prédictions étaient proches, mais basses : Les modèles théoriques (les « cartes ») prédisaient la fréquence à laquelle cela se produit, et ils étaient dans le bon ordre de grandeur. Cependant, chaque modèle prédisait moins d'événements que ce qui a été réellement observé.
   • Pensez à une prévision météorologique qui dit « il y a 20 % de chances de pluie », mais en réalité, il pleut 30 % du temps. La prévision n'a pas tort sur le fait qu'il pleut, mais elle sous-estime combien il pleut.

La « section efficace » mesurée (une mesure de la probabilité qu'un événement se produise) était de :

• Top + 2 Charme : 1,28 picobarn.
• Top + 1 Charme : 6,4 picobarns.

Pourquoi cela importe

Il ne s'agit pas seulement de compter des particules ; il s'agit de nettoyer le bruit. Comme ces événements de quarks top riches en charme sont une source majeure de bruit de fond pour d'autres découvertes rares, avoir un compte précis aide les physiciens à filtrer les faux signaux.

Le document conclut que, bien que nos simulations informatiques actuelles fassent un travail décent, elles sous-estiment systématiquement le nombre de quarks charme produits. Cela dit aux théoriciens : « Vos cartes doivent être mises à jour ; il y a plus de camions charme sur l'autoroute que vous ne le pensiez. »

En bref : L'équipe ATLAS a utilisé un logiciel personnalisé pour compter la fréquence à laquelle les particules lourdes de type « charme » apparaissent avec les quarks top. Elle a découvert que les théories actuelles sont légèrement trop pessimistes, prédisant moins d'événements que ce que la réalité montre réellement. Ces nouvelles données aideront à affiner les modèles utilisés pour la recherche d'une physique encore plus rare à l'avenir.

Résumé technique

Résumé technique : Mesures de la production de $t\bar{t}$ associée à des quarks charm à 13 TeV par l'expérience ATLAS

Problématique et motivation
La production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) accompagnée de jets de saveur lourde supplémentaires constitue un bruit de fond irréductible significatif pour de nombreux processus rares du Modèle Standard (SM), tels que la production $t\bar{t}H$ avec des désintégrations $H \to b\bar{b}$ et la production de quatre quarks top. Bien que des calculs théoriques pour la production $t\bar{t} + b\bar{b}$ existent avec une précision au niveau suivant l'ordre exponentiel (NLO) en chromodynamique quantique (QCD), les incertitudes concernant les échelles de renormalisation et de factorisation restent substantielles. Crucialement, aucun calcul dédié au niveau NLO n'est actuellement disponible pour la production $t\bar{t} + c\bar{c}$. Cette lacune théorique nécessite des mesures expérimentales pour affiner la compréhension de ces états finaux, où les jets de saveur lourde supplémentaires proviennent de la division de gluons en paires $b\bar{b}$ ou $c\bar{c}$, ou de la radiation initiale.

Méthodologie
Cette analyse utilise l'ensemble complet des données de collisions proton-proton du Run 2 collectées par l'expérience ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2015 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$. La mesure cible les événements $t\bar{t}$ contenant un ou deux leptons chargés ($e$ ou $\mu$) et au moins un jet supplémentaire.

• Simulation et modélisation : Les processus de signal et de bruit de fond sont modélisés à l'aide de simulations de Monte Carlo (MC). Les processus inclusifs $t\bar{t} + \ge 1c$ et $t\bar{t} + \text{léger}$ sont simulés en utilisant le schéma à cinq saveurs (5FS) avec POWHEG BOX 2 interfacé à PYTHIA 8 pour le parachèvement de partons (parton showering) et l'hadronisation. Les processus $t\bar{t} + b\bar{b}$ utilisent une approche d'élément de matrice à quatre saveurs (4FS). Les événements sont catégorisés au niveau des particules stables en quatre groupes distincts : $t\bar{t} + \ge 2c$, $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + \ge 2b$, et $t\bar{t} + \text{léger}$.
• Marquage de saveur (Flavour-Tagging) : Un algorithme personnalisé de « b/c-tagger » a été développé pour identifier simultanément les jets $b$ et les jets $c$, car les algorithmes standards d'ATLAS manquent de points de fonctionnement dédiés au marquage $c$. L'algorithme produit un discriminant bidimensionnel définissant cinq bacs (bins) : deux pour les jets $c$ (à 11 % et 22 % d'efficacité), deux pour les jets $b$ (à 60 % et 70 % d'efficacité), et un pour les jets non marqués.
• Sélection d'événements et ajustement : L'analyse utilise des déclenchements à électron unique et muon unique pour sélectionner les événements avec un ou deux leptons. Le canal à lepton unique nécessite $\ge 5$ jets, tandis que le canal dilepton nécessite $\ge 3$ jets (avec au moins trois passant des critères de marquage spécifiques). Les 19 régions de contrôle (CR) et régions de signal (SR) orthogonales définies par les bacs du b/c-tagger sont utilisées pour extraire les intensités de signal via un ajustement de vraisemblance de profil (profile likelihood fit). Les incertitudes systématiques, incluant celles liées à la modélisation, à l'algorithme de marquage de saveur et aux effets du détecteur, sont traitées comme des paramètres de nuisance.

Principales contributions
Ce travail présente la première mesure de la section efficace inclusive de la production de $t\bar{t}$ associée à des quarks charm par la collaboration ATLAS. La contribution principale est l'extraction simultanée de sections efficaces fiduciales séparées pour :

1. $t\bar{t} + \ge 2c$ (événements avec au moins deux jets $c$, ciblant principalement $t\bar{t} + c\bar{c}$).
2. $t\bar{t} + 1c$ (événements avec exactement un jet $c$ supplémentaire, provenant de $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + c\bar{c}$ avec un jet hors de l'acceptation, ou $t\bar{t} + c\bar{c}$ où les jets sont regroupés).

Résultats
L'analyse démontre un bon accord entre les données et la simulation, avec une compatibilité d'ajustement de 98 %. Les sections efficaces fiduciales mesurées sont :

• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + \ge 2c) = 1.28^{+0.27}_{-0.24}$ pb
• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + 1c) = 6.4^{+1.0}_{-0.9}$ pb

Les sources dominantes d'incertitude sont la modélisation des processus $t\bar{t} + \ge 1c$, $t\bar{t} + \ge 1b$ et $t\bar{t} + \text{léger}$ (spécifiquement l'appariement NLO et le parachèvement de partons), les incertitudes sur la performance du b/c-tagger, et les statistiques des données.

Lors de la comparaison avec diverses prédictions NLO+PS issues de simulations inclusives de $t\bar{t} + \text{jets}$ et $t\bar{t} + b\bar{b}$ :

• Toutes les prédictions théoriques sous-estiment les valeurs observées.
• Les prédictions POWHEG BOX 2 + PYTHIA 8 sont en accord avec la mesure à 1,1 écart-type lorsque l'on considère les variations d'échelle et de PDF.
• Les prédictions POWHEG BOX 2 + HERWIG 7 et MADGRAPH5_AMC@NLO + HERWIG 7 montrent un accord entre 1,2 et 2,0 écarts-types.

De plus, les rapports des sections efficaces de $t\bar{t} + \ge 2c$ et $t\bar{t} + 1c$ par rapport à la section efficace totale de $t\bar{t} + \text{jets}$ ont été mesurés dans les volumes fiduciaux et inclusifs, montrant une cohérence avec les simulations NLO+PS à un niveau similaire aux mesures de sections efficaces absolues.

Signification
Le document revendique sa signification principalement par la fourniture des premières contraintes expérimentales sur les sections efficaces de production $t\bar{t} + \text{charm}$. Ces mesures comblent une lacune dans les calculs théoriques (spécifiquement l'absence de calculs dédiés à $t\bar{t} + c\bar{c}$) et améliorent la compréhension des bruits de fond de jets de saveur lourde. Bien que les résultats soient largement cohérents avec les modèles de simulation existants, l'observation selon laquelle tous les modèles sous-estiment les données met en évidence des domaines de raffinement potentiel pour la modélisation QCD, particulièrement concernant la division de gluons en paires $c\bar{c}$. La précision de la mesure est actuellement limitée par les incertitudes de modélisation et la puissance statistique de l'ensemble de données.