Probes of flavour symmetry and violation with top quarks in ATLAS and CMS

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme le briseur de particules le plus puissant au monde. À l'intérieur, des protons s'entrechoquent à une vitesse proche de celle de la lumière, créant une tempête chaotique de particules subatomiques. Parmi ces débris, le quark top est le « champion poids lourd » — c'est la particule fondamentale la plus lourde que nous connaissions, et parce qu'il est si massif, il agit comme un projecteur unique. S'il existe des règles cachées de l'univers qui se brisent, le quark top est l'endroit le plus probable pour voir apparaître les fissures.

Ce document est un bulletin de notes de deux détecteurs géants, ATLAS et CMS, qui agissent comme des caméras ultra-rapides capturant ces collisions. Les scientifiques examinent les données de 2015 à 2018 (une quantité massive d'informations, soit environ 140 millions de milliards de collisions) pour voir si le quark top se comporte exactement comme le « Modèle Standard » (notre carnet de règles actuel pour la physique) le prédit, ou s'il fait quelque chose d'étrange qui suggère une physique nouvelle et encore inconnue.

Voici une décomposition de leurs quatre principales investigations, en utilisant des analogies simples :

1. Le test de l'« Équité » (Universalité du goût leptonique)

Le concept : Le Modèle Standard affirme que l'univers traite les électrons et les muons (un cousin plus lourd de l'électron) exactement de la même manière, comme deux jumeaux identiques portant des chapeaux de couleurs différentes. Ils devraient interagir avec les particules porteuses de force (bosons W et Z) avec une intensité égale.
L'expérience : Les scientifiques ont observé les désintégrations de quarks top en ces particules. Ils ont comparé la fréquence à laquelle un quark top produit un électron par rapport à un muon.
L'analogie : Imaginez un distributeur automatique censé distribuer du Coca et du Pepsi avec une probabilité égale. Si vous appuyez sur le bouton 1 000 fois, vous vous attendez à environ 500 de chaque.
Le résultat : La machine est parfaitement équitable. Le rapport entre les électrons et les muons a été mesuré à 0,9995, ce qui est incroyablement proche de 1. C'est le test le plus précis de cette règle d'« équité » jamais réalisé, confirmant que, pour l'instant, l'univers traite ces deux particules comme des égales.

2. La chasse à l'« Échange Interdit » (Violation du goût leptonique chargé)

Le concept : Dans le Modèle Standard, les particules ne changent généralement pas de « goût » (identité) facilement. Un électron ne devrait pas simplement se transformer en muon. Si cela arrivait, ce serait une violation majeure des règles, suggérant une nouvelle physique telle que les « leptoquarks » ou la supersymétrie.
L'expérience : Les équipes ont recherché des quarks top qui se désintégrent en un mélange de particules différentes qui ne devraient pas aller ensemble, comme un électron et un muon apparaissant ensemble lors d'un seul événement de quark top.
L'analogie : Imaginez un chef qui ne cuisine que des burgers. Si vous trouvez soudainement un burger qui possède une tranche de pizza et un donut collés dessus, vous savez que le chef utilise une recette secrète et interdite.
Le résultat : Ils n'ont trouvé aucun burger interdit. Aucune preuve de ces « échanges interdits » n'a été observée. Cependant, parce qu'ils n'en ont trouvé aucun, ils ont pu établir des limites très strictes sur la rareté possible de ces événements. Ils ont essentiellement dit à l'univers : « Si cet échange interdit se produit, il doit être incroyablement, incroyablement rare. »

3. La vérification du « Vol d'Identité » (Violation du nombre baryonique)

Le concept : Selon notre compréhension actuelle, le nombre total de « baryons » (particules comme les protons et les neutrons qui composent la matière) est conservé. La matière n'est pas simplement créée ou détruite à partir de rien.
L'expérience : Ils ont cherché des quarks top se désintégrant d'une manière qui briserait cette règle, transformant potentiellement un quark top en un lepton et d'autres particules d'une manière qui violerait la conservation de la matière.
L'analogie : Imaginez une banque où le montant total d'argent dans le coffre est censé rester constant. Les scientifiques cherchent un guichetier qui réussirait à retirer un billet de 100 $ et à le transformer en un billet de 100 $ plus un billet de 50 $, créant ainsi de l'argent à partir de rien.
Le résultat : Aucune « imprimante à billets » n'a été trouvée. L'univers semble toujours tenir ses comptes équilibrés. Les scientifiques ont établi de nouvelles limites, beaucoup plus strictes, sur la fréquence à laquelle ce « vol d'identité » pourrait se produire, améliorant les limites précédentes par des facteurs de 1 000 à 1 000 000.

4. La recherche de la « Particule Fantôme » (Leptons Neutres Lourds)

Le concept : Nous savons que les neutrinos ont une masse, mais nous ignorons pourquoi. Une théorie populaire suggère l'existence de « Leptons Neutres Lourds » (HNL) — des cousins fantomatiques et lourds des neutrinos, difficiles à détecter.
L'expérience : C'était une première pour ATLAS : rechercher ces particules fantômes spécifiquement à l'intérieur de la désintégration d'un quark top. Ils ont cherché un quark top se transformant en un neutrino lourd, qui se désintègre ensuite en deux particules ayant la même charge électrique (comme deux muons de signe positif).
L'analogie : Imaginez un magicien sortant un lapin d'un chapeau. Habituellement, vous vous attendez à un lapin. Mais ici, ils cherchent un lapin spécifique, lourd et invisible, qui laisse une trace de pas très précise (deux particules de même signe) avant de disparaître.
Le résultat : Ils n'ont pas trouvé le lapin fantôme lourd. Cependant, ils ont réussi à cartographier précisément où ce lapin fantôme pourrait se cacher (en termes de masse et de force d'interaction) et ont écarté un large éventail de possibilités, en particulier pour les versions plus lourdes de ces particules.

L'essentiel

Les équipes d'ATLAS et de CMS ont effectué un « bilan de santé » rigoureux du quark top.

• Ont-ils trouvé une nouvelle physique ? Non. Le quark top se comporte exactement comme le prédit le Modèle Standard.
• Est-ce un échec ? Pas du tout. En physique, « rien ne s'est passé » est un immense succès car cela nous indique précisément où ne pas chercher.
• Quelle est la suite ? Ils ont resserré le filet. Ils ont prouvé que si une nouvelle physique existe, elle se cache dans un coin bien plus petit et plus insaisissable que nous le pensions. Avec davantage de données provenant de la prochaine phase du LHC (Run 3), ils continueront de chercher avec des yeux encore plus aiguisés.

Résumé technique

Résumé technique : Sondages de la symétrie et de la violation de saveur avec les quarks top dans ATLAS et CMS

Problématique et portée
Ce document présente un aperçu complet de six nouvelles analyses menées par les collaborations ATLAS et CMS à partir de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Les analyses utilisent les jeux de données complets du Run 2, correspondant à des luminosités intégrées de 140 fb⁻¹ (ATLAS) et 138 fb⁻¹ (CMS). L'objectif principal est de valider les prédictions du Modèle Standard (SM) dans le secteur du quark top et de rechercher des écarts indicateurs d'une physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Plus précisément, ce travail cible trois catégories de nouvelle physique potentielle : la violation de la saveur leptonique chargée (cLFV), la violation du nombre baryonique (BNV) et l'existence de leptons neutres lourds (HNL). De plus, le document rend compte d'une mesure de précision de l'universalité de la saveur leptonique (LFU).

Méthodologie
Les analyses emploient des approches de la théorie des champs effectifs (EFT) indépendantes des modèles lorsque cela est applicable, en supposant qu'une échelle de masse de la nouvelle physique ($\Lambda$) est significativement plus grande que l'échelle d'énergie du LHC. Cela permet l'extraction de limites sur les coefficients de Wilson ($|C|$) pour les opérateurs de dimension 6.

• Universalité de la saveur leptonique (LFU) : L'analyse ATLAS mesure le rapport des fractions de branchement du boson $W$ vers les muons et les électrons ($R_{\mu/e}^W$) en utilisant des événements $t\bar{t}$ dans les canaux dileptoniques ($ee, e\mu, \mu\mu$). Pour atténuer les incertitudes systématiques liées à l'identification des leptons, l'analyse exploite la cinématique des désintégrations $Z \to \ell^+\ell^-$ et calcule un double rapport ($R_{\mu/e}^{WZ}$). Des facteurs de repondération et des mesures d'efficacité d'isolement in-situ sont appliqués pour aligner la cinématique des électrons et des muons.
• Violation de la saveur leptonique chargée (cLFV) : Trois analyses distinctes recherchent la cLFV dans la production de top simple et la désintégration de $t\bar{t}$ :
  • CMS $e\mu$ Trilepton : Utilise des arbres de décision boostés (BDT) entraînés dans des régions de masse invariante ($m(e\mu) > 150$ GeV pour la production, masses plus faibles pour la désintégration) pour séparer le signal du bruit de fond.
  • ATLAS $\mu\tau$ Trilepton : Sélectionne les désintégrations hadroniques de $\tau$ ($\tau_{had}$) et utilise la somme scalaire des impulsions transverses ($H_T$) comme variable discriminante. Cette analyse interprète également les résultats dans le contexte d'un modèle de leptoquark scalaire ($S_1$) avec des couplages hiérarchiques.
  • CMS $\mu\tau$ Hadronique : Se concentre sur les événements où le boson $W$ du SM se désintègre de manière hadronique. Elle emploie une reconstruction cinématique via une minimisation du $\chi^2$ et un réseau de neurones profonds (DNN) multiclasse entraîné sur 28 variables cinématiques pour distinguer les signaux cLFV des bruits de fond $t\bar{t}$.
• Violation du nombre baryonique (BNV) : L'analyse CMS recherche des sommets $tqq'\ell$ (violant à la fois le nombre baryonique et leptonique) dans les processus de top simple et de $t\bar{t}$. Elle considère diverses combinaisons de saveurs de quarks ($q \in [d,s,b], q' \in [u,c]$) et utilise un BDT unique pour extraire les signaux dans les canaux $ee, e\mu,$ et $\mu\mu$.
• Leptons neutres lourds (HNL) : L'analyse ATLAS recherche les HNL ($N$) produits dans les désintégrations de $t\bar{t}$ via la chaîne $t \to N\ell, N \to W\ell$, résultant en des dileptons de même signe ($ee$ ou $\mu\mu$) et des désintégrations hadroniques de $W$. La séparation du signal est réalisée à l'aide de BDT distincts pour les masses de HNL faibles (15–50 GeV) et élevées (> 50 GeV), avec des ajustements de vraisemblance de profil appliqués aux données.

Résultats clés

• Mesure de la LFU : La mesure ATLAS produit $R_{\mu/e}^W = 0,9995 \pm 0,0045$. Ce résultat est cohérent avec l'hypothèse de LFU du SM et représente le test le plus précis de l'universalité $e$-$\mu$ à ce jour, améliorant la moyenne précédente du PDG.
• Limites de la cLFV : Aucun excès significatif par rapport aux attentes du SM n'a été observé dans aucun canal.
  • Des limites sur les coefficients de Wilson $|C|/\Lambda^2$ et les fractions de branchement $B(t \to q\ell\ell')$ ont été établies pour les quarks $u$ et $c$.
  • L'analyse ATLAS $\mu\tau$ a amélioré les limites indirectes précédentes par des facteurs de 7 à 41.
  • L'analyse CMS $\mu\tau$ hadronique a amélioré les limites précédentes sur les coefficients de Wilson d'un facteur deux.
  • Dans l'interprétation des leptoquarks, ATLAS a exclu les couplages $\lambda_{LQ}$ de 1,3 à 3,7 pour des masses $m_{S1}$ comprises entre 0,5 et 2,0 TeV.
• Limites de la BNV : L'analyse CMS n'a trouvé aucun excès, fixant des limites supérieures sur les fractions de branchement de la BNV qui améliorent les résultats précédents de 8 TeV par des facteurs de $10^3$ à $10^6$.
• Limites des HNL : L'analyse ATLAS a étendu les limites existantes sur le mélange des HNL avec les neutrinos muoniques dans la gamme de masse supérieure à 50 GeV, en utilisant pour la première fois la topologie de désintégration $t\bar{t}$.

Signification et affirmations
Le document affirme que ces analyses constituent un programme étendu de recherches BSM dans le secteur du quark top, atteignant des limites de fraction de branchement typiques de l'ordre de $10^{-6}$ à $10^{-8}$. Les auteurs soulignent l'utilité de l'approche EFT pour les contraintes indépendantes des modèles sur les interactions de quatre fermions de dimension 6. De plus, la mesure de précision de la LFU via les processus du top sert de validation rigoureuse du SM. Le document conclut que les résultats actuels, dérivés de l'ensemble des données du Run 2, fournissent les contraintes les plus strictes à ce jour sur ces modes de violation spécifiques, et que les futurs jeux de données du Run 3 devraient permettre de sonder davantage les interactions du quark top avec une précision accrue et de nouvelles techniques.