Inclusive and differential measurements of the $\mathrm{t\bar{t}}\gamma$ cross section and the $\mathrm{t\bar{t}}\gamma$ / $\mathrm{t\bar{t}}$ cross section ratio in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude mesure les sections efficaces inclusives et différentielles de la production de paires de quarks top associée à un photon, ainsi que leur rapport avec la production de paires de quarks top, confirmant la cohérence de ces résultats avec les prédictions du modèle standard.

L'essentiel

Imaginez que le CERN est une immense piste de course où des voitures (les protons) foncent l'une vers l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsque ces voitures entrent en collision, elles se désintègrent en une pluie de débris, un peu comme si vous écrasiez deux montres complexes l'une contre l'autre et que des milliers de petits engrenages, de ressorts et de vis volaient dans toutes les directions.

Parmi ces débris, les physiciens cherchent des pièces très spécifiques et rares : des quarks top. Ce sont les "voitures de course" les plus lourdes et les plus rapides de l'univers subatomique. Ils sont si lourds qu'ils se désintègrent presque instantanément, laissant derrière eux une trace très courte.

Le but de l'expérience : Chasser le "Flash"

Dans cette étude, l'équipe du détecteur CMS ne cherche pas seulement les quarks top. Ils cherchent un événement très particulier : la production d'une paire de quarks top accompagnée d'un photon (une particule de lumière, un "flash").

Pourquoi s'intéresser à ce "flash" ?
Imaginez que vous regardez un match de tennis. Si vous voyez un joueur frapper la balle et que la balle part dans une direction étrange, vous savez qu'il y a eu une interaction avec quelque chose d'autre (le vent, une raquette défectueuse, etc.). De la même manière, si un quark top émet un photon, cela nous renseigne sur la façon dont il interagit avec la lumière. Cela permet de vérifier si les règles de la physique (le Modèle Standard) sont parfaites ou s'il y a des "bugs" cachés qui pourraient révéler une nouvelle physique.

Comment ont-ils fait ? (L'Enquête)

Les chercheurs ont analysé 138 milliards de collisions (c'est ce qu'on appelle une "luminosité intégrée" de 138 fb⁻¹). C'est comme regarder des millions de films de collisions pour trouver quelques scènes précises.

1. Le Filtre (La Sélection) : Ils ne voulaient que les collisions où deux quarks top apparaissent et se transforment immédiatement en deux "leptons" (des électrons ou des muons, qui sont comme des cousins légers de l'électron) et un photon. C'est une signature très spécifique : deux particules chargées + une lumière + un déséquilibre d'énergie (dû aux neutrinos invisibles).
2. Le Tri (Le Tri des Débris) : Le détecteur CMS est un appareil photo géant et ultra-sensible qui enregistre tout. Les chercheurs ont dû trier des montagnes de données pour isoler les événements "propres" où le photon venait vraiment de la création des quarks top, et non d'un bruit de fond (comme une étincelle accidentelle dans le moteur).
3. La Distinction (Production vs Désintégration) : C'est là que ça devient subtil. Le photon peut venir de deux endroits :
   • La Production : Le photon est émis au moment même où les quarks top sont créés (comme un flash qui éclaire la scène au début du film). C'est le plus intéressant pour la physique.
   • La Désintégration : Le photon est émis plus tard, quand les quarks top se désintègrent (comme un flash qui éclaire la fin de la scène).
     Les chercheurs ont réussi à séparer ces deux cas, un peu comme un détective qui distingue si un témoin a vu l'accident ou s'il a vu les dégâts après coup.

Les Résultats : Tout correspond (pour l'instant)

Après avoir pesé et mesuré chaque détail, voici ce qu'ils ont trouvé :

• La Fréquence : Ils ont mesuré combien de fois cet événement se produit. Le résultat correspond presque parfaitement aux prédictions théoriques. C'est comme si vous prédisiez qu'il pleuvra 10 mm demain, et qu'au matin, il tombe exactement 10 mm.
• Le Ratio : Ils ont aussi calculé le rapport entre les collisions avec un photon et celles sans photon. Là encore, la réalité correspond à la théorie.
• L'Asymétrie de Charge : Les physiciens se demandaient si les quarks top et leurs antiparticules (les anti-top) se comportaient différemment quand ils émettent de la lumière (comme si l'un courait plus vite que l'autre). Ils ont mesuré cette différence et ont trouvé... aucune différence significative. C'est compatible avec le fait qu'ils sont parfaitement symétriques.

En résumé

Cette étude est une vérification de précision. Les chercheurs ont utilisé les données les plus récentes et les plus abondantes pour tester les lois de la physique dans des conditions extrêmes.

L'analogie finale :
Imaginez que le Modèle Standard est une recette de gâteau parfaitement écrite. Les chercheurs ont pris des millions de gâteaux, les ont décortiqués, ont pesé chaque gramme de farine et de sucre, et ont vérifié si le goût correspondait exactement à la recette.

• Résultat : Le goût est exactement celui prévu par la recette.
• Pourquoi est-ce important ? Même si le gâteau est parfait, c'est en cherchant le moindre grain de sable dans le sucre que l'on découvre de nouveaux ingrédients ou de nouvelles cuisines. Pour l'instant, pas de grain de sable trouvé, mais la recette est validée avec une précision incroyable !

Cette étude confirme que notre compréhension actuelle de l'univers est solide, tout en nous donnant les outils pour chercher encore plus loin demain.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

La production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) associée à un photon ($\gamma$) constitue un processus clé pour tester le Modèle Standard (MS) de la physique des particules. Contrairement à d'autres processus où les effets de nouvelle physique n'apparaissent qu'à des ordres supérieurs de la théorie des perturbations, la production $t\bar{t}\gamma$ est sensible aux couplages électromagnétiques du quark top dès l'ordre dominant (LO) en Chromodynamique Quantique (QCD).

Les objectifs principaux de cette étude sont :

• Sonder les couplages $t$-$\gamma$ : Détecter d'éventuels écarts par rapport au MS, qui pourraient indiquer de nouvelles interactions ou des opérateurs dans le cadre de la théorie effective des champs (EFT).
• Distinguer les mécanismes de production : Séparer la composante de production (émission du photon depuis l'état initial, ISR, ou depuis un quark top hors couche de masse) de la composante de désintégration (émission depuis les produits de désintégration d'un quark top réel).
• Mesurer l'asymétrie de charge : Étudier l'asymétrie de charge dans la production $t\bar{t}\gamma$, un effet prédit par le MS dû à l'interférence entre les diagrammes d'émission initiale et celle depuis les quarks top.
• Mesurer le rapport de sections efficaces ($R_\gamma$) : Déterminer le rapport entre la section efficace $t\bar{t}\gamma$ et celle de la production $t\bar{t}$ standard, une observable qui permet d'annuler de nombreuses incertitudes systématiques.

2. Méthodologie

Données et Simulation :

• Données : L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur 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$^{-1}$.
• Canaux de désintégration : Seuls les événements avec deux leptons chargés de signes opposés (électrons ou muons) et un photon sont sélectionnés (canal dilepton).
• Échantillons de Monte Carlo (MC) :
  • Le signal $t\bar{t}\gamma$ est modélisé avec MADGRAPH5_aMC@NLO (NLO en QCD) pour la production et POWHEG pour la désintégration.
  • Un échantillon de référence ("nominal") utilise MADGRAPH5 pour simuler la production $t\bar{t}\gamma$ (2$\to$3) et la désintégration $t\bar{t}\gamma$ (2$\to$2$\to$7).
  • Un modèle alternatif utilise POWHEG pour la production et PYTHIA pour le rayonnement dans le shower de particules (PS).
  • Les bruits de fond ($Z\gamma$, $tW\gamma$, $t\bar{t}$, Drell-Yan, etc.) sont simulés avec divers générateurs (POWHEG, MADGRAPH, PYTHIA).

Reconstruction et Sélection :

• Objets : Sélection de deux leptons ($p_T > 25$ GeV pour le lepton dominant), un photon isolé ($p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2.5$), et au moins deux jets (dont un identifié comme jet $b$).
• Reconstruction cinématique : Un algorithme de reconstruction cinématique est utilisé pour estimer les quadri-impulsions des quarks top et des neutrinos en imposant les contraintes de masse ($m_W$, $m_t$) et la conservation de l'énergie-impulsion.
• Estimation des bruits de fond :
  • Les photons "prompt" (issus de processus physiques directs) sont estimés via la simulation, contraints par des régions de contrôle (CR) spécifiques (ex: $Z\gamma$).
  • Les photons "non-prompt" (issus de hadrons mal reconstruits ou de conversions) sont estimés à partir des données en utilisant la méthode ABCD, basée sur l'isolation du photon et la largeur de la gerbe électromagnétique ($\sigma_{i\eta i\eta}$).

Analyse Statistique :

• Une ajustement de vraisemblance maximale (Maximum Likelihood Fit) est réalisé simultanément sur la région de signal (SR) et les régions de contrôle.
• Les incertitudes systématiques sont traitées comme paramètres de nuisance.
• Des techniques de dépliage (unfolding) sont appliquées pour corriger les effets de résolution et d'acceptance du détecteur, permettant de rapporter les résultats au niveau des particules (fiducial) et au niveau des partons.

3. Contributions Clés

1. Premières mesures différentielles de $R_\gamma$ : Cette étude présente les premières mesures différentielles du rapport $t\bar{t}\gamma / t\bar{t}$ en fonction des observables cinématiques.
2. Séparation Production/Désintégration : Pour la première fois au LHC, la section efficace est mesurée séparément pour la composante de production (photon émis avant la désintégration des tops) et la composante de désintégration.
3. Mesure de l'asymétrie de charge : Une mesure précise de l'asymétrie de charge dans les événements $t\bar{t}\gamma$ est effectuée, complétant les mesures précédentes sur la production $t\bar{t}$ seule.
4. Comparaison avec des prédictions fixes : Les résultats sont comparés non seulement aux simulations MC, mais aussi à des calculs de sections efficaces fixes à l'ordre NLO en QCD (calculés avec HELAC-NLO/RECOLA), offrant une validation théorique rigoureuse.

4. Résultats Principaux

Sections Efficaces Inclusives (Fiduciales) :

• $t\bar{t}\gamma$ total : $\sigma_{fid} = 137 \pm 8$ fb (137 $\pm$ 3 (stat) $\pm$ 7 (syst)). En accord avec la prédiction du MS de $126 \pm 19$ fb.
• Composante de production ($t\bar{t}\gamma_{prod}$) : $\sigma_{fid} = 56 \pm 5$ fb (56 $\pm$ 2 (stat) $\pm$ 4 (syst)). En accord avec la prédiction de $57 \pm 5$ fb.
• Composante de désintégration ($t\bar{t}\gamma_{decay}$) : $\sigma_{fid} = 84 \pm 5$ fb.

Rapport de Sections Efficaces ($R_\gamma$) :

• Rapport inclusif : $R_\gamma = 0.0133 \pm 0.0005$.
  • Prédiction du MS : $0.0127 \pm 0.0008$.
  • Les résultats sont compatibles avec le Modèle Standard.
• Rapport différentiel : Les mesures différentielles en fonction de l'impulsion transverse du top ($p_T(t_1)$) et du lepton ($p_T(\ell_1)$) sont également compatibles avec les prédictions théoriques.

Asymétrie de Charge :

• La mesure de l'asymétrie de charge $A_C$ dans $t\bar{t}\gamma$ est : $A_C = -0.012 \pm 0.042$.
• Ce résultat est compatible à la fois avec la prédiction du MS ($-0.004 \pm 0.001$) et avec l'hypothèse d'absence d'asymétrie. La précision est actuellement limitée par les incertitudes statistiques.

Confrontation aux Modèles :

• Les données montrent une bonne concordance avec le modèle de simulation "nominal" (MADGRAPH5_aMC@NLO pour la production).
• Le modèle alternatif (POWHEG + PS pour l'émission de photons dans la désintégration) surestime systématiquement les données, suggérant que la modélisation de l'émission de photons via le shower de particules dans ce contexte n'est pas optimale.
• Les prédictions de calculs fixes (Fixed-order) décrivent bien la forme des distributions, en particulier pour les observables angulaires.

5. Signification et Impact

Cette analyse représente une avancée majeure dans la compréhension de l'interaction électromagnétique du quark top au LHC :

• Validation du Modèle Standard : Toutes les mesures inclusives et différentielles sont en accord avec les prédictions du MS, renforçant la validité de la QCD et de l'électrodynamique quantique dans le secteur du quark top.
• Contraintes sur la Nouvelle Physique : La précision des mesures différentielles et du rapport $R_\gamma$ permet de poser des contraintes strictes sur les opérateurs de couplage anormaux dans le cadre de l'EFT. L'absence d'écart significatif exclut certaines régions de l'espace des paramètres pour de nouvelles interactions.
• Amélioration des Modèles Théoriques : La comparaison entre les modèles de simulation et les données met en évidence des lacunes dans la modélisation de l'émission de photons dans les showers de particules, guidant les futurs développements des générateurs d'événements.
• Base pour le futur : Ces résultats, basés sur l'ensemble complet des données Run 2, servent de référence pour les analyses futures au Run 3 et au HL-LHC, où une plus grande statistique permettra de réduire les incertitudes sur l'asymétrie de charge et de sonder des effets de nouvelle physique plus subtils.