Recent measurements of top cross sections at CMS

Cet article présente de récentes mesures par CMS des sections efficaces inclusives et différentielles pour la production de paires de quarks top et de quarks top isolés dans les collisions proton-proton à 5,02 TeV et 13,6 TeV, lesquelles sont toutes cohérentes avec les prédictions du Modèle Standard.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme la piste de course cosmique la plus puissante au monde, essentiellement un gigantesque circuit de course où les scientifiques font s'entrechoquer des protons à une vitesse proche de celle de la lumière. L'objectif ? Recréer les conditions de l'univers primordial et découvrir comment les blocs fondamentaux de la nature se comportent.

Ce document est un bulletin de notes de l'expérience CMS, l'un des détecteurs géants installés sur cette piste de course. Les chercheurs se concentrent sur le quark top, qui est le « champion poids lourds » du monde des particules. C'est la particule fondamentale la plus lourde connue et, parce qu'elle est si massive et éphémère, elle est comme une célébrité qui apparaît pendant une fraction de seconde puis disparaît. L'étude du quark top aide les scientifiques à vérifier si leur manuel de règles actuel (le Modèle Standard) est correct ou s'il existe des chapitres cachés qu'ils n'ont pas encore écrits.

Le document couvre deux « courses » ou expériences spécifiques menées par l'équipe CMS :

Course 1 : La paire de quarks top à une vitesse plus faible (5,02 TeV)

La Configuration :
En 2017, l'équipe a fait fonctionner le collisionneur à un niveau d'énergie plus bas (5,02 TeV). Considérez cela comme une séance d'entraînement sur une piste plus calme avec moins de voitures (moins de « pileup » provenant d'autres collisions). Ils ont collecté des données équivalentes à 302 « pétaoctets » d'événements de collision (bien que l'unité ici soit l'inverse de picobarns, une mesure du nombre de collisions qu'ils ont observées).

La Stratégie :
Lorsque deux protons s'entrechoquent, ils créent parfois une paire de quarks top (un top et un anti-top). Ceux-ci se désintègrent presque instantanément en d'autres particules, y compris des électrons ou des muons (des cousins lourds de l'électron) et des jets (des jets de particules).

• Le Filtre : Les scientifiques ont agi comme des videurs de boîte de nuit. Ils n'ont laissé entrer que les événements possédant exactement un électron ou un muon et au moins trois jets.
• Le Tri : Ils ont trié ces événements en huit « bacs » différents basés sur le nombre de jets et le nombre de « b-jets » (jets contenant des quarks bottom, une signature des quarks top) qu'ils trouvaient.
• Le Travail de Détective : Dans les bacs encombrés où le bruit de fond (autres collisions de particules aléatoires) était élevé, ils ont utilisé un algorithme de Forêt Aléatoire (Random Forest). Vous pouvez voir cela comme une équipe de détectives numériques formés pour repérer les différences subtiles entre un véritable événement de quark top et un faux, un peu comme un système de sécurité distinguant un véritable intrus d'une ombre.

Le Résultat :
Ils ont mesuré la « section efficace », qui est essentiellement la probabilité ou la « taille de la cible » de cet événement se produisant. Ils ont trouvé une valeur de 62,3 pb.

• Le Verdict : Ce chiffre correspond parfaitement aux prédictions du Modèle Standard. C'est comme lancer un dé un million de fois et obtenir la moyenne attendue à chaque fois. Cela confirme notre compréhension actuelle de la physique à ce niveau d'énergie.

Course 2 : Le quark top avec un partenaire (tW) à haute vitesse (13,6 TeV)

La Configuration :
En 2022, l'équipe a fait fonctionner le collisionneur à son énergie la plus élevée à ce jour (13,6 TeV). C'est « l'événement principal » avec une quantité massive de données (34,7 femtobarns inverses). Ici, ils ont recherché un quark top unique produit aux côtés d'un boson W (une particule porteuse de force).

La Stratégie :
C'est plus difficile à trouver car c'est plus rare et le bruit de fond est plus fort.

• Le Filtre : Ils ont recherché des événements avec deux leptons (électrons ou muons) de charges opposées.
• Le Tri : Ils ont catégorisé les événements par le nombre de jets et de b-jets, en se concentrant sur trois groupes spécifiques : 1 jet avec 1 b-jet, 2 jets avec 1 b-jet, et 2 jets avec 2 b-jets.
• Le Travail de Détective : Encore une fois, ils ont utilisé deux classificateurs de Forêt Aléatoire distincts (détectives numériques) pour séparer le signal du bruit. Pour le groupe « 2 jets, 2 b-jets », ils ont examiné l'énergie du deuxième jet le plus énergétique pour prendre la décision.

Le Résultat :
Ils ont mesuré la section efficace pour ce processus à 82,3 pb.

• Le Verdict : Tout comme pour la première course, ce résultat concorde magnifiquement avec les prédictions du Modèle Standard.
• Bonus : Ils n'ont pas seulement compté le nombre total d'événements ; ils ont également mesuré des sections efficaces différentielles. Imaginez que ce n'est pas seulement compter combien de voitures sont passées par un point de contrôle, mais aussi mesurer leur vitesse, l'angle de leur virage et la distance parcourue. Ils ont vérifié six variables différentes (comme l'énergie du lepton principal ou l'angle entre les particules) et, dans chaque cas, les données correspondaient aux prédictions théoriques.

La Vue d'Ensemble

Le document conclut par un message simple : Tout fonctionne comme prévu.

• Le quark top « poids lourd » se comporte exactement comme le Modèle Standard le prévoit.
• Les mesures à 5,02 TeV sont les plus précises jamais réalisées par CMS à cette énergie.
• Les mesures à 13,6 TeV sont les premières de leur genre utilisant les données de l'actuel « Run 3 » du LHC.

Il n'y a aucun signe de « nouvelle physique » (comme des dimensions cachées ou des particules inconnues) dans ces mesures spécifiques pour le moment. L'univers, du moins dans ces interactions spécifiques du quark top, suit les règles que nous connaissons déjà.

Résumé technique

Résumé Technique : Mesures Récentes des Sections Efficaces de Production du Quark Top par CMS

Problématique et Motivation
Le quark top, en tant que particule fondamentale la plus lourde connue, sert de sonde critique pour les tests de précision du Modèle Standard (MS) et constitue une fenêtre potentielle sur la physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Plus précisément, la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) est essentielle pour valider les prédictions du MS, tandis que la production de quarks top seuls en association avec un boson $W$ ($tW$) est sensible à l'élément $V_{tb}$ de la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) et aux effets potentiels de la physique BSM. De plus, le processus $tW$ est remarquable pour son interférence quantique avec la production $t\bar{t}$ et son rôle de bruit de fond significatif dans d'autres analyses. Cette contribution répond au besoin de mesures précises de sections efficaces dans des régimes cinématiques distincts : un environnement à faible énergie et faible nombre d'interactions (low-pileup) à 5,02 TeV et le régime de haute énergie du Run 3 à 13,6 TeV.

Méthodologie
L'article présente deux analyses distinctes réalisées par la collaboration CMS à partir de données de collisions proton-proton.

1. Production $t\bar{t}$ à 5,02 TeV :

   • Jeu de données : 302 pb$^{-1}$ de luminosité intégrée collectées en 2017.
   • Sélection : Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs à lepton unique (électron ou muon). L'analyse requiert exactement un lepton ($p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2,4$), au moins trois jets ($p_T > 25$ GeV, $|\eta| < 2,4$), et une énergie transverse manquante ($> 30$ GeV). Un veto est appliqué aux événements possédant un second lepton de saveur opposée avec un $p_T > 10$ GeV.
   • Catégorisation : Les événements sont classés en huit catégories basées sur la multiplicité des jets (3 ou $\ge$4 jets) et la multiplicité des jets étiquetés $b$ (1 ou $\ge$2), subdivisées par saveur de lepton.
   • Gestion du bruit de fond : Les bruits de fond incluent le top seul (canal $t$-channel, $tW$),$W$+jets, Drell-Yan et les multijets QCD (estimés via des méthodes basées sur les données). Dans la catégorie $3j1b$, où la contamination par $W$+jets est significative, un classificateur d'analyse multivariée (MVA) (forêt aléatoire) est entraîné pour séparer le signal du bruit de fond.
   • Extraction : Un ajustement de maximum de vraisemblance (ML) est effectué sur toutes les catégories. Les incertitudes systématiques sont traitées comme des paramètres de nuisance. L'ajustement utilise la distribution $\Delta R_{med}(j,j')$ pour les catégories de haute pureté ($3j2b, 4j1b, 4j2b$) et la sortie de l'MVA pour la catégorie $3j1b$.

2. Production $tW$ à 13,6 TeV :

   • Jeu de données : 34,7 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée issues de la campagne de l'LHC Run 3 (2022).
   • Sélection : Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs dilepton et à lepton unique. La sélection requiert au moins une paire de leptons de saveurs opposées et de charges opposées ($e^\pm\mu^\mp$) avec le lepton principal ayant un $p_T > 25$ GeV. Tous les leptons doivent satisfaire à $p_T > 20$ GeV et $|\eta| < 2,4$, avec une masse invariante minimale de la paire de leptons $> 20$ GeV.
   • Catégorisation : Les événements sont classés par multiplicité de jets ($n$) et de jets étiquetés $b$ ($m$) ($n_j m_b$). Trois catégories sont utilisées pour la mesure inclusive : $1j1b$ (pureté de signal la plus élevée), $2j1b$, et $2j2b$. Seule la catégorie $1j1b$ est utilisée pour les mesures différentielles.
   • Modélisation du signal : L'échantillon de signal $tW$ emploie le schéma de suppression de diagramme (Diagram Removal - DR) pour éviter le double comptage des diagrammes de Feynman partagés avec les processus $t\bar{t}$.
   • Gestion du bruit de fond : Les bruits de fond incluent $t\bar{t}$, Drell-Yan, diboson ($VV$),$t\bar{t}V$ et les processus non-$W/Z$. Deux classificateurs MVA indépendants (forêts aléatoires) sont entraînés pour les catégories $1j1b$ et $2j1b$ afin de discriminer le signal du bruit de fond. Pour $2j2b$, le $p_T$ du jet secondaire est utilisé comme discriminant.
   • Extraction : Un ajustement ML est effectué pour la section efficace inclusive. Les sections efficaces différentielles sont obtenues en effectuant l'unfolding (déconvolution) des résultats au niveau du détecteur vers le niveau particule en utilisant la technique TUNFOLD, avec un veto sur les jets de basse énergie.

Contributions Clés et Résultats

• Section efficace $t\bar{t}$ à 5,02 TeV :
  L'analyse produit une section efficace inclusive de $\sigma(t\bar{t}) = 62,3 \pm 1,5(\text{stat}) \pm 2,4(\text{syst}) \pm 1,2(\text{lumi})$ pb. Ce résultat est dérivé en combinant la mesure du canal à lepton unique avec une mesure préalable du canal dilepton. La valeur est cohérente avec la prédiction du Modèle Standard de $69,5^{+3,5}_{-3,7}$ pb calculée à l'ordre NNLO en QCD perturbative. Les incertitudes dominantes proviennent de la luminosité intégrée et des facteurs d'échelle de l'étiquetage $b$ (b-tagging).

• Section efficace $tW$ à 13,6 TeV :
  Cette analyse présente le premier résultat de quark top seul de l'ère LHC Run 3. La section efficace inclusive est mesurée à $\sigma(tW) = 82,3 \pm 2,1(\text{stat}) +9,9_{-9,7}(\text{syst}) \pm 3,3(\text{lumi})$ pb. Cela s'aligne avec la prédiction du MS de $87,9 \pm 3,1$ pb à l'ordre NNNLO approximatif. Les principales incertitudes systématiques sont liées à l'énergie des jets, à la modélisation du $p_T$ du quark top et aux efficacités de l'étiquetage $b$.
  De plus, des sections efficaces différentielles ont été mesurées pour six variables ( $p_T$ du lepton leader, $p_z$ du système lepton-jet, $p_T$ du jet, masse invariante du système lepton-jet, séparation azimutale $\Delta\phi$, et masse transverse). Ces distributions différentielles montrent un bon accord avec diverses prédictions théoriques impliquant différents générateurs d'éléments de matrice (POWHEG, MADGRAPH5_aMC@NLO) et modèles de cascade de partons (PYTHIA8, HERWIG7), en utilisant à la fois les schémas de suppression de diagramme (DR) et de soustraction de diagramme (DS).

Signification
L'article affirme que la mesure $t\bar{t}$ à 5,02 TeV représente la mesure de section efficace la plus précise de CMS pour ce processus à cette énergie centre de masse spécifique, en tirant parti des conditions propres et de faible pileup du jeu de données. La mesure $tW$ est significative car elle constitue le premier résultat de quark top seul de l'ère LHC Run 3, fournissant des contraintes tant inclusives que différentielles sur le processus. Toutes les mesures présentées sont cohérentes avec les prédictions du Modèle Standard, renforçant la compréhension théorique actuelle des mécanismes de production de quarks top.