Search for nonresonant new physics signals in high-mass dilepton events produced in association with b-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Cette étude du CMS sur des collisions proton-proton à 13 TeV n'a observé aucun excès significatif par rapport au modèle standard dans les événements à haute masse dilepton associés à des jets b, permettant ainsi d'établir des limites inférieures sur l'échelle d'énergie de nouveaux phénomènes physiques non résonants dans le cadre de théories des champs effectifs.

L'essentiel

🕵️‍♂️ La Grande Chasse aux Fantômes du CERN : Quand les électrons et les muons dansent avec les quarks "b"

Imaginez que l'univers est une immense boîte de Lego géante. Pendant des décennies, les physiciens ont réussi à assembler presque tous les Lego connus (les atomes, les électrons, etc.) pour construire le modèle standard de la physique. C'est un modèle brillant, mais il y a des trous dans la boîte : il ne nous explique pas tout (comme la matière noire ou pourquoi l'univers existe).

Les physiciens du CERN, avec leur machine géante appelée LHC (le Grand collisionneur de hadrons), essaient de trouver de nouveaux Lego cachés. Pour cela, ils font entrer en collision des protons à une vitesse incroyable, comme deux camions de déménagement qui foncent l'un vers l'autre à pleine vitesse pour voir ce qui en sort.

Ce papier raconte une chasse spécifique menée par l'expérience CMS (une des "caméras" géantes autour du collisionneur).

1. Le Scénario : Une soirée dansante avec des invités surprises

Dans cette expérience, les physiciens regardent des événements très particuliers qui se produisent après la collision :

• Les danseurs principaux : Deux particules de lumière chargée (soit deux électrons, soit deux muons) qui partent en sens opposé.
• Les invités surprises : Ces danseurs sont accompagnés de jets de particules contenant des quarks "b" (un type de quark lourd, comme un invité très costaud).

L'analogie : Imaginez une fête où vous attendez des couples de danseurs classiques. Soudain, vous voyez un couple de danseurs (les électrons/muons) qui tourne très vite, mais ils sont accompagnés de deux gros bodybuilders (les quarks "b") qui les poussent. Si les bodybuilders sont là sans raison, c'est peut-être qu'il y a un nouveau maître de cérémonie invisible (la "Nouvelle Physique") qui les a fait venir !

2. La Méthode : Le détective et ses deux hypothèses

Les physiciens ne savent pas exactement quel est ce "maître de cérémonie". Ils utilisent donc deux théories (des modèles) pour essayer de le piéger :

• Hypothèse A (Le modèle "bbℓℓ") : C'est comme si les deux danseurs et les deux bodybuilders se touchaient directement, comme s'ils avaient une télépathie instantanée. Cela pourrait être causé par une nouvelle particule lourde (un "Z prime" ou un "leptoquark") qui passe trop vite pour être vue, mais dont on sent l'effet.
• Hypothèse B (Le modèle "bsℓℓ") : C'est une transformation magique. Un quark "b" (le gros bodybuilder) se transforme soudainement en un quark "s" (un quark plus léger) tout en crachant les deux danseurs. Dans la physique normale, c'est un tour de passe-passe très difficile et rare. Si on le voit souvent, c'est qu'un magicien (une nouvelle physique) aide le quark "b".

3. L'Enquête : Regarder les données

Les chercheurs ont analysé 138 "années-lumière" de données (en réalité, 138 femtobarns inversés, une unité de quantité de données collectées entre 2016 et 2018). C'est comme avoir regardé des milliards de films de collisions.

Ils ont trié les événements en trois catégories, comme on trierait des colis par taille :

1. 0 quarks "b" : Personne n'est venu avec les danseurs.
2. 1 quark "b" : Un bodybuilder est venu.
3. 2 quarks "b" ou plus : Deux bodybuilders ou plus sont venus.

Ils ont ensuite regardé l'énergie (la masse) des danseurs. Si un nouveau phénomène existait, ils s'attendaient à voir un pic soudain, une "montagne" d'événements à très haute énergie, là où la physique normale ne prévoit qu'une petite colline.

4. Le Verdict : Silence radio (pour l'instant)

Après avoir passé au crible toutes ces données, en utilisant des algorithmes intelligents (des réseaux de neurones, un peu comme des IA) pour distinguer le vrai signal du bruit de fond, le résultat est le suivant :

• Pas de nouvelle physique trouvée.
• Il n'y a pas de "montagne" inattendue. Les données correspondent parfaitement aux prédictions de la physique actuelle (le Modèle Standard).
• C'est comme si vous cherchiez un fantôme dans une maison, vous avez fouillé chaque pièce, écouté chaque craquement, et... il n'y avait personne. Juste le vent qui souffle.

5. Ce que cela nous apprend (Les limites)

Même s'ils n'ont pas trouvé le "fantôme", cette chasse est très utile. Elle permet de dire :

• "Si ce fantôme existe, il doit être très lourd ou très faible."
• Les chercheurs ont établi des limites d'énergie. Par exemple, pour le modèle "bbℓℓ", ils disent : "Si cette nouvelle physique existe, elle doit avoir une énergie supérieure à 6,9 à 9,0 TeV."
  • Analogie : C'est comme dire : "Si un monstre existe, il doit peser plus de 10 tonnes, sinon on l'aurait vu." Cela repousse les limites de ce que nous savons.

6. Une petite vérification de dernière minute : L'égalité des sexes

Les physiciens ont aussi vérifié une règle fondamentale : l'universalité de la saveur des leptons.
En gros, cela signifie : "Est-ce que les électrons et les muons se comportent exactement de la même façon dans cette danse ?"

• Résultat : Oui. Ils dansent de manière identique. Aucune différence suspecte n'a été trouvée. Cela confirme encore une fois que le Modèle Standard tient bon.

En résumé

Ce papier est un rapport de police très sérieux. Les détectives du CERN ont fouillé des montagnes de données pour trouver des signes de nouvelles particules cachées dans les collisions de protons.

• Leur conclusion : "Rien de nouveau à signaler aujourd'hui."
• Leur valeur : Ils ont prouvé que si une nouvelle physique existe, elle est très bien cachée et très lourde. Ils ont donc dressé une clôture plus haute autour de notre connaissance, forçant les théoriciens à imaginer des idées encore plus exotiques pour la prochaine fois.

C'est une victoire pour la rigueur scientifique : même le silence (l'absence de découverte) nous apprend quelque chose de précieux sur la structure de l'univers.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules, bien que très performant, laisse plusieurs questions fondamentales sans réponse (nature de la matière noire, asymétrie matière-antimatière, problème de hiérarchie, masse des neutrinos). De nombreuses théories au-delà du Modèle Standard (BSM) prédisent l'existence de nouvelle physique (NP) à l'échelle du téraélectronvolt (TeV).

Cette étude se concentre sur la recherche de phénomènes non résonants de nouvelle physique dans les événements à haute masse invariante de dileptons (paires électron-électron ou muon-muon) produits en association avec des jets étiquetés b (contenant des quarks beauté).

• Motivation : Le troisième doublet de quarks est particulièrement sensible à la nouvelle physique en raison de la masse élevée du quark top et des anomalies observées dans les désintégrations des mésons B (violation de l'universalité de saveur des leptons, $R(D^{(*)})$).
• Objectif : Détecter des écarts par rapport aux prédictions du MS dans les spectres de masse des dileptons, spécifiquement via des interactions de contact (Contact Interactions - CI) impliquant des quarks b (ou s) et des leptons.

2. Méthodologie

Données et Détection

• Données : Utilisation des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS au LHC entre 2016 et 2018, à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb⁻¹.
• Détection : Reconstruction des leptons (électrons et muons) et des jets via l'algorithme Particle-Flow. Les jets contenant des quarks b sont identifiés à l'aide de l'algorithme DeepJet.
• Canaux analysés : Paires de leptons de même saveur et de charge opposée ($e^+e^-$ et $\mu^+\mu^-$).

Modèles de Signal (Théorie Effective)

L'analyse utilise la théorie effective des champs (EFT) pour modéliser la nouvelle physique à des échelles d'énergie inaccessibles directement, via des opérateurs de dimension six. Deux modèles principaux sont testés :

1. Modèle $bb\ell\ell$ : Interaction de contact entre deux quarks b et deux leptons ($\ell = e, \mu$). Ce modèle peut être généré par l'échange d'un boson $Z'$ lourd ou de leptoquarks scalaires. L'analyse cible les états finals avec 0, 1 ou $\ge$ 2 jets b.
2. Modèle $bs\ell\ell$ : Transition à courant neutre changeant de saveur (FCNC) $b \to s\ell^+\ell^-$. Ce processus est fortement supprimé dans le MS (boucle uniquement) et serait médié par des particules BSM. L'analyse cible les états finals avec 0 ou 1 jet b.

Sélection des Événements et Réduction du Bruit de Fond

• Sélecteurs : Les événements sont divisés en catégories basées sur le nombre de jets b (0b, 1b, $\ge$2b) et la région du détecteur (Barrel-Barrel, Barrel-Endcap).
• Réduction du bruit de fond : Le bruit de fond dominant dans les canaux à jets b est la production de paires top-antitop ($t\bar{t}$). Pour le supprimer, un réseau de neurones profond (DNN) a été entraîné (via PyTorch) pour distinguer le signal du bruit de fond en utilisant des variables cinématiques (masses invariants, angles 3D, $p_T$ manquant, etc.). Un seuil de score DNN > 0,6 est appliqué.
• Estimation du bruit de fond : Les bruits de fond dominants (DY+jets, $t\bar{t}$) sont estimés à partir de simulations corrigées par des facteurs d'échelle (SF) dérivés de régions de contrôle (CR) dans les données.
  • La région de contrôle $t\bar{t}$ utilise des paires de leptons de saveurs différentes ($e\mu$).
  • La région de contrôle DY+jets utilise la masse invariante autour du boson Z (120-200 GeV).

Tests d'Universalité de Saveur

Une analyse complémentaire teste l'universalité de saveur des leptons en mesurant le rapport des sections efficaces différentielles $\mu\mu / ee$ en fonction de la masse invariante, après correction des effets de résolution et d'acceptation du détecteur.

3. Résultats Clés

Recherche de Nouvelle Physique

• Observation : Aucune déviation significative par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été observée dans les spectres de masse des dileptons pour aucune des catégories (0b, 1b, $\ge$2b) ni pour les canaux $ee$ ou $\mu\mu$.
• Limites sur le modèle $bb\ell\ell$ : Des limites inférieures sur l'échelle d'énergie de nouvelle physique ($\Lambda$) ont été établies à 95 % de niveau de confiance (CL).
  • Les limites varient de 6,9 à 9,0 TeV selon la structure de chiralité (LL, LR, RL, RR) et le signe de l'interférence (constructive ou destructive) avec le processus Drell-Yan.
  • Ces résultats constituent les premières contraintes du LHC sur le modèle $bb\ell\ell$, dépassant significativement les limites précédentes établies par LEP.
• Limites sur le modèle $bs\ell\ell$ : Des limites inférieures sur le rapport $\Lambda/g^*$ (échelle d'énergie sur couplage effectif) ont été fixées.
  • Les limites observées varient de 1,9 à 2,2 TeV selon le canal, atteignant 2,4 TeV pour la combinaison de tous les canaux.
  • Ces résultats sont comparables aux limites existantes d'ATLAS et CMS sur les transitions FCNC.

Universalité de Saveur

• Le rapport mesuré entre les spectres de masse $\mu\mu$ et $ee$ est cohérent avec les attentes du Modèle Standard (rapport de 1).
• Aucun écart significatif n'a été détecté, confirmant l'universalité de saveur des leptons à l'échelle du TeV dans ce contexte spécifique.

4. Contributions et Significativité

• Première recherche CMS : Il s'agit de la première recherche du CMS pour une production non résonante de dileptons en association avec des jets b, comblant un vide dans la couverture des canaux de recherche de nouvelle physique.
• Sensibilité accrue : L'utilisation d'un classificateur DNN permet une suppression efficace du bruit de fond $t\bar{t}$, rendant l'analyse sensible aux signaux faibles dans les régions à haute masse.
• Contraintes théoriques : Les limites posées sur $\Lambda$ et $\Lambda/g^*$ contraignent fortement les modèles de leptoquarks scalaires et de bosons $Z'$ couplés préférentiellement à la troisième génération de quarks.
• Validation du Modèle Standard : L'absence de déviation dans les rapports de saveur et les spectres de masse renforce la validité du MS à des échelles d'énergie jusqu'à plusieurs TeV, tout en fournissant des données précises pour les modèles EFT.

En résumé, cette analyse exploite pleinement les données du Run 2 du LHC pour tester des interactions de contact spécifiques aux quarks b. Bien qu'aucune nouvelle physique n'ait été découverte, les limites d'exclusion établies repoussent les frontières de la sensibilité expérimentale et guident les développements théoriques futurs.