Measurement of the dineutrino system kinematic variables in dileptonic top quark pair production in proton-proton collisions at$\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $\sqrt{s}$ = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude mesure les sections efficaces différentielles de production de paires de quarks top dans les états finals dilepton en fonction des variables cinématiques du système de deux neutrinos, en trouvant des résultats compatibles avec les prédictions du Modèle Standard.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN comme une immense piste de course de particules à haute vitesse. Les scientifiques font entrer en collision des protons à une vitesse proche de celle de la lumière pour créer une explosion chaotique de nouvelles particules. Parmi les « voitures de course » les plus célèbres produites lors de ces collisions, on trouve les quarks top, les particules élémentaires connues les plus lourdes. Elles sont si instables qu'elles se désintègrent immédiatement (se désintègrent) en d'autres particules, un peu comme un vase en verre fragile se brisant dès qu'il touche le sol.

Ce document est un rapport détaillé de la Collaboration CMS, une équipe de scientifiques utilisant un détecteur géant appelé CMS pour étudier ce qui se produit lorsque deux quarks top sont créés puis se désintègrent d'une manière spécifique : le canal « dileptonique ».

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

1. Le mystère des « fantômes invisibles »

Lorsqu'ils se désintègrent, les quarks top produisent souvent des neutrinos. Les neutrinos sont comme des fantômes : ils ont presque aucune masse, ne portent aucune charge électrique et traversent la Terre (et le détecteur) sans laisser de trace. Vous ne pouvez pas les voir directement.

Cependant, la physique possède une règle appelée conservation de la quantité de mouvement. Imaginez une table de billard où vous savez exactement avec quelle force la bille blanche a été frappée. Si vous voyez les autres billes voler dans certaines directions, vous pouvez calculer où est allée la quantité de mouvement « manquante », même si vous ne pouvez pas voir la bille qui l'a emportée.

Dans cette expérience, les scientifiques ont cherché les « fantômes » (neutrinos) en mesurant la quantité de mouvement manquante dans l'événement. Puisque les quarks top se désintègrent en bosons W, qui se désintègrent ensuite en leptons chargés (électrons ou muons) et en neutrinos, les scientifiques ont pu suivre les leptons visibles et déduire la trajectoire des neutrinos invisibles.

2. Les deux indices qu'ils ont mesurés

Au lieu de simplement compter combien de quarks top ont été créés, les scientifiques ont mesuré comment ils se déplaçaient. Ils se sont concentrés sur deux indices spécifiques concernant la paire de neutrinos (le « système dineutrino ») :

• La « vitesse » des fantômes ($p_T^{\nu\nu}$) : Quelle quantité de mouvement transverse (vitesse latérale) la paire de neutrinos possédait-elle ?
• L'« angle » des fantômes ($\min[\Delta\phi]$) : Quelle était la distance entre la direction des neutrinos et la direction des particules chargées visibles (leptons) ?

Pensez-y comme à une enquête sur une scène de crime. Si vous voyez deux suspects s'enfuir, vous voulez savoir : À quelle vitesse couraient-ils, et couraient-ils dans la même direction ou se dispersaient-ils dans des directions différentes ?

3. Le problème : un objectif brumeux

Les scientifiques ont fait face à un problème majeur : le détecteur n'est pas parfait. Tout comme essayer de voir un fantôme à travers une fenêtre embuée, la mesure de la « quantité de mouvement manquante » était souvent floue. Ce « brouillard » était causé par :

• L'empilement (Pileup) : Le LHC ne fait pas entrer en collision une seule paire de protons à la fois ; il fait entrer en collision de nombreux paquets à la fois. C'est comme essayer d'entendre un chuchotement dans un stade bondé.
• Les erreurs de mesure : Le détecteur calcule parfois mal l'énergie d'autres particules, faussant le calcul des neutrinos manquants.

4. La solution : un « désemboueur » à intelligence artificielle

Pour dissiper le brouillard, les scientifiques ont développé un réseau de neurones profond (DNN). Imaginez cela comme un détective à intelligence artificielle hautement entraîné.

• Ils ont nourri l'IA avec des millions d'événements de collision simulés où ils connaissaient la « vraie » réponse (la trajectoire réelle du neutrino).
• L'IA a appris à repérer des motifs dans le « bruit » (les données brumeuses) et à corriger les mesures.
• Le résultat : L'IA a agi comme un stabilisateur d'image haute technologie, affinant l'image de la trajectoire et de la vitesse des neutrinos d'environ 15 %. Cela a permis aux scientifiques de mesurer les neutrinos avec une précision bien supérieure à tout ce qui avait été fait auparavant.

5. Le grand test : le Modèle Standard a-t-il raison ?

L'objectif principal était de voir si le Modèle Standard de la physique (notre meilleure théorie actuelle du fonctionnement de l'univers) pouvait prédire avec précision ces mouvements de neutrinos.

• La comparaison : Ils ont comparé leurs mesures du monde réel aux prédictions issues de simulations informatiques complexes (Monte Carlo) et de formules mathématiques avancées.
• Le verdict : Les mesures correspondaient parfaitement aux prédictions. Les données et la théorie étaient en « accord ».

6. Pourquoi cela compte (la chasse à la « nouvelle physique »)

Pourquoi mesurer des fantômes invisibles avec tant de précision ? Parce que parfois, le Modèle Standard ne raconte pas toute l'histoire.

Le document mentionne un scénario hypothétique impliquant la Supersymétrie (une théorie suggérant que chaque particule connue possède un « super-partenaire » plus lourd). Si ces super-partenaires existaient, ils pourraient produire des particules invisibles supplémentaires (comme des neutralinos) qui perturbent les mesures des neutrinos, faisant en sorte que les « fantômes » se dispersent selon des angles étranges ou se déplacent à des vitesses inattendues.

En mesurant les neutrinos avec tant de précision, les scientifiques vérifient essentiellement l'« ombre » de l'événement. Si l'ombre avait semblé étrange, cela aurait été un signe de nouvelle physique inconnue. Comme l'ombre était exactement telle que le Modèle Standard l'avait prédit, aucune nouvelle physique n'a été trouvée dans cette recherche spécifique, mais l'équipe a prouvé qu'elle pouvait mesurer ces effets invisibles avec une précision incroyable.

Résumé

• Ce qu'ils ont fait : Mesuré la vitesse et la direction de paires de neutrinos invisibles créées lors de collisions de quarks top.
• Comment ils l'ont fait : Utilisé un vaste ensemble de données de 2016 à 2018 et un nouvel outil d'IA pour corriger des mesures floues.
• Ce qu'ils ont trouvé : Les particules invisibles se comportaient exactement comme le Modèle Standard l'avait prédit.
• La conclusion : Les « fantômes » se comportent normalement, et notre carte actuelle du monde subatomique résiste à ce nouvel examen de haute précision.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des variables cinématiques du système dineutrino dans la production de paires de quarks top dileptoniques

Problème et motivation
Les mesures de précision de la production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) servent de tests rigoureux du Modèle Standard (MS) et sont cruciales pour la recherche de nouveaux phénomènes. Alors que les mesures précédentes de sections efficaces différentielles se sont concentrées sur des observables cinématiques visibles (jets, leptons) ou des particules intermédiaires (bosons $W$, quarks top), certains scénarios au-delà du Modèle Standard (BSM) modifient principalement le secteur invisible de l'événement. Plus précisément, les processus impliquant des particules non détectées, tels que la désintégration de squarks top supersymétriques en quarks top et neutralinos, peuvent imiter la signature dileptonique $t\bar{t}$ mais altérer la cinématique de l'impulsion transverse manquante ($\vec{p}^{\text{miss}}_T$).

Cet article répond au besoin de valider la modélisation du processus $t\bar{t}$ du MS dans un espace de phases sensible à de telles signatures BSM. L'analyse se concentre sur les états finals dileptoniques ($e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$ et $e^\pm\mu^\mp$), où les deux neutrinos issus des désintégrations de bosons $W$ constituent la source principale de $\vec{p}^{\text{miss}}_T$. L'étude mesure les sections efficaces différentielles en fonction de :

1. L'impulsion transverse du système dineutrino ($p^{\nu\nu}_T$).
2. La distance azimutale minimale entre le système dineutrino et un lepton chargé ($\min[\Delta\phi(\vec{p}^{\nu\nu}_T, \vec{p}^\ell_T)]$).
3. Une distribution bidimensionnelle (2D) de ces deux observables.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV entre 2016 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant deux leptons de charges opposées ($p_T > 25/20$ GeV pour le lepton principal/secondaire), au moins deux jets (dont un étiqueté $b$), et des exigences spécifiques sur l'impulsion transverse manquante. Les canaux de même saveur requièrent $p^{\text{miss}}_T > 40$ GeV et un veto sur la masse invariante du dilepton près de la masse du boson $Z$ pour supprimer les fonds Drell-Yan.
• Résolution de l'impulsion transverse manquante : Un composant critique de l'analyse est la reconstruction de la cinématique du système dineutrino via $\vec{p}^{\text{miss}}_T$. Pour améliorer la résolution, en particulier à haut $p^{\text{miss}}_T$, une régression dédiée par réseau de neurones profond (DNN) est développée. Ce DNN corrige le vecteur $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ (initialement reconstruit à l'aide de l'algorithme PUPPI) en prédisant la différence entre les $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ reconstruits et générés, basée sur 17 observables d'entrée, incluant la cinématique des jets et des leptons. Cette méthode améliore la résolution de la magnitude et de l'angle azimutal de $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ d'environ 15 % et 12 %, respectivement, par rapport à la reconstruction standard.
• Dépliage : Les sections efficaces différentielles sont extraites au niveau des particules en utilisant une méthode de dépliage par moindres carrés non régularisée (TUNFOLD). La procédure implique la soustraction des contributions de fond (dominées par $t\bar{t}$ avec des désintégrations non dileptoniques, top unique et Drell-Yan) et le dépliage des distributions au niveau du détecteur vers un espace de phases fiduciel défini par l'acceptation du détecteur et des coupes cinématiques spécifiques.
• Incertitudes systématiques : Les incertitudes sont catégorisées en expérimentales (échelle/résolution de l'énergie des jets, reconstruction des leptons, étiquetage $b$, luminosité, empilement) et théoriques (échelles de renormalisation/factorisation, fonctions de distribution de partons, schémas d'appariement, masse du quark top et normalisations de fond).

Contributions clés

• Première mesure : Ce travail présente les premières mesures de sections efficaces différentielles de la production $t\bar{t}$ en fonction des variables cinématiques du système dineutrino ($p^{\nu\nu}_T$ et $\min[\Delta\phi]$).
• Application DNN : Le développement et l'application d'une régression basée sur un DNN pour corriger $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ spécifiquement pour les événements $t\bar{t}$ dileptoniques, améliorant considérablement la résolution requise pour une reconstruction cinématique précise.
• Analyse 2D : La fourniture d'une mesure différentielle bidimensionnelle, offrant une vue plus granulaire des corrélations dans l'espace de phases entre le système de neutrinos et les leptons.
• Sensibilité BSM : L'analyse inclut des tests de fermeture utilisant un scénario de production de paires de squarks top (masse du stop 525 GeV, masse du neutralino 350 GeV) pour démontrer que la procédure de mesure et de dépliage peut correctement reproduire les déviations par rapport à l'hypothèse du MS utilisée dans la construction de la matrice de réponse.

Résultats
Les sections efficaces différentielles absolues et normalisées mesurées sont comparées à cinq prédictions théoriques :

1. POWHEG+PYTHIA (NLO)
2. POWHEG+HERWIG (NLO)
3. MC@NLO+PYTHIA (NLO)
4. QCD NLO d'ordre fixe
5. QCD NNLO d'ordre fixe

• Accord : Les résultats mesurés sont généralement en accord avec toutes les prédictions théoriques. Les distributions des données et de la simulation pour $p^{\text{miss}}_{T,\text{DNN}}$ et $\min[\Delta\phi]$ montrent une bonne cohérence.
• Compatibilité statistique : Les tests $\chi^2$ indiquent que toutes les prédictions décrivent bien les données. Pour les mesures absolues unidimensionnelles, les prédictions POWHEG fournissent la meilleure description globale. Pour la mesure absolue 2D, le calcul d'ordre fixe NNLO montre le meilleur accord.
• Différences de forme : De petites différences de forme sont observées dans la distribution $\min[\Delta\phi]$, cohérentes avec les mesures précédentes de l'angle azimutal entre les deux leptons. Ces différences sont dans la plage des incertitudes théoriques.
• Dominance des incertitudes : Pour la mesure de $p^{\nu\nu}_T$, l'échelle de l'énergie des jets (JES) est l'incertitude expérimentale dominante. Pour la mesure angulaire, les incertitudes de reconstruction des leptons deviennent significatives à grands angles. Les incertitudes théoriques liées au schéma de suppression du chevauchement $tW$-$t\bar{t}$ dominent à haut $p^{\nu\nu}_T$.

Signification
L'article affirme que ces résultats constituent les premières mesures de sections efficaces différentielles basées sur les propriétés cinématiques dineutrino dans la production de paires de quarks top. Les mesures valident la modélisation du processus $t\bar{t}$ du MS dans un espace de phases spécifiquement sensible aux scénarios BSM introduisant des sources supplémentaires de particules non détectées. L'accord observé entre les données et diverses calculs théoriques (incluant NNLO) confirme la robustesse des descriptions actuelles du MS dans le canal dileptonique. Bien qu'aucune déviation significative n'ait été trouvée, la précision de ces mesures et l'amélioration de la résolution de l'impulsion transverse manquante fournissent une base de référence affinée pour les futures recherches de nouvelle physique dans le secteur invisible des événements de quarks top.