Measurement of the top-quark mass using decays with a $J/\psi$ meson at $\sqrt{s}=$13 TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, la masse du quark top est mesurée à 172,17 $\pm$ 1,56 GeV en analysant la distribution de masse invariante des systèmes comprenant un lepton isolé et un méson $J/\psi$ issus de désintégrations de quarks top.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une course automobile géante à très grande vitesse. Dans cette course, le quark top est la voiture la plus lourde et la plus puissante de la piste. Parce qu'il est si lourd, il est incroyablement instable ; dès sa création, il s'écrase instantanément et se désintègre en morceaux plus petits.

Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de peser cette « voiture de course » (le quark top) pour vérifier si notre compréhension des règles de l'univers (le Modèle Standard) était correcte. Le problème est que, puisque la voiture explose si vite, on ne peut pas simplement la poser sur une balance. Il faut peser les morceaux qu'elle laisse derrière elle.

La nouvelle méthode pour peser la voiture

Par le passé, les scientifiques tentaient de peser le quark top en examinant les « débris » (les jets de particules) qu'il laissait derrière lui. Mais mesurer des débris est désordonné ; c'est comme essayer de deviner le poids d'une voiture en pesant les morceaux de métal et de verre éparpillés après un accident, où certains morceaux pourraient manquer ou être déformés.

Ce papier décrit une nouvelle approche plus propre utilisée par l'expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Au lieu d'examiner les débris désordonnés, ils ont recherché une « signature » très spécifique et rare laissée derrière : un méson $J/\psi$.

Imaginez le méson $J/\psi$ comme une boîte-cadeau parfaitement emballée qui n'apparaît que lorsqu'une partie spécifique de l'accident du quark top se produit. Cette boîte est constituée de deux muons (un type de particule) qui sont très faciles à suivre et à mesurer avec une grande précision. Parce que cette « boîte-cadeau » est faite de particules propres et bien comportées, elle agit comme une règle de haute précision, évitant le désordre des autres débris.

Comment ils ont fait

1. La collision : Ils ont fait entrer en collision des protons à presque la vitesse de la lumière (énergie de 13 TeV) en utilisant le LHC. Cela a créé des millions de quarks top.
2. La chasse : Ils ont tamisé 140 « années » de données (une luminosité intégrée de 140 fb⁻¹) à la recherche d'événements où un quark top se désintégrait en :
   • Une particule « isolée » standard (un électron ou un muon) provenant de l'accident principal.
   • La « boîte-cadeau » spéciale (méson $J/\psi$) composée de deux muons.
3. La mesure : Ils ont mesuré le poids combiné (masse invariante) de la particule isolée et des deux muons de la boîte-cadeau. Parce que cette combinaison est sensible à la masse du quark top original, ils ont pu remonter le temps pour déterminer la masse du quark top.

Le résultat

Après avoir effectué un ajustement statistique complexe (comme trouver la courbe qui s'adapte le mieux à un nuage de points de données), ils ont trouvé :

• Le poids : Le quark top pèse 172,17 GeV.
• La précision : Ils sont très confiants dans ce chiffre, avec une incertitude totale de 1,56 GeV.

Le problème du « recul »

Le papier met en évidence une source spécifique d'incertitude appelée le « schéma de recul ».

Imaginez que le quark top est un canon tirant un obus. Lorsque l'obus s'envole, le canon recule (recoil). Dans les simulations informatiques utilisées pour prédire ce qui devrait se produire, les physiciens doivent décider ce qui absorbe ce coup de recul.

• Option A : Le recul est absorbé par le lourd quark $b$ (le « fabricant de boîte-cadeau »).
• Option B : Le recul est absorbé par le quark top lui-même avant qu'il ne se désintègre complètement.

Le papier a montré que changer cette hypothèse dans leurs modèles informatiques modifiait la masse calculée d'environ 1,07 GeV. C'est la plus grande source unique d'incertitude dans leur résultat. C'est comme dire : « Nous savons que la voiture pèse 172,17, mais selon que nous pensons que le moteur ou les roues ont absorbé l'impact de l'accident, le poids pourrait être légèrement différent. »

Pourquoi cela importe

Cette mesure est importante car :

1. C'est un angle différent : Elle utilise une méthode qui ne repose pas sur la mesure de « jets » désordonnés de particules, ce qui cause généralement les plus grandes erreurs dans les autres mesures.
2. Cela vérifie les règles : Le résultat (172,17 GeV) s'accorde bien avec les mesures précédentes d'autres expériences (comme CMS et les anciennes campagnes ATLAS). Cette cohérence aide à confirmer que notre « code de règles » actuel de la physique des particules est correct.
3. Améliorations futures : Le papier note que la principale limitation actuelle est la quantité de données (incertitude statistique). S'ils collectent plus de données à l'avenir, ils pourront réduire encore davantage l'incertitude, rendant la « balance » encore plus précise.

En bref, l'équipe ATLAS a utilisé une signature rare et propre de « boîte-cadeau » pour peser la particule la plus lourde de l'univers, confirmant les résultats précédents tout en mettant en évidence un domaine spécifique où nos simulations informatiques des accidents de particules pourraient encore être ajustées pour une précision encore meilleure.

Résumé technique

1. Problème et Motivation

La masse du quark top ($m_{top}$) est un paramètre fondamental du Modèle Standard (MS) et joue un rôle critique dans la test de la cohérence du MS, notamment concernant la stabilité du vide et les observables de précision électrofaible. Bien que $m_{top}$ ait été mesurée avec une haute précision (incertitude totale $\sim 0,33$ GeV) en combinant les résultats du Tevatron et du LHC (ATLAS et CMS), ces mesures reposent principalement sur la reconstruction complète des produits de désintégration du quark top, y compris les jets.

Défis clés des mesures actuelles :

• Incertitude sur l'échelle d'énergie des jets (JES) : Les incertitudes systématiques dominantes dans les mesures traditionnelles proviennent de l'étalonnage des énergies des jets et des échelles d'énergie des jets $b$.
• Ambiguïtés théoriques : La définition du paramètre de masse dans les simulations Monte Carlo (MC) dépend du schéma, et différentes méthodes de reconstruction sondent différents aspects de la définition de la masse.

Motivation de cette analyse :
Cet article présente une mesure utilisant une méthode de reconstruction partielle qui exploite la chaîne de désintégration $t \to W b$, suivie de $b \to J/\psi + X \to \mu^+\mu^- + X$. L'observable utilisée est la masse invariante du système composé du lepton isolé ($\ell = e, \mu$) issu de la désintégration du boson $W$ et de la paire de muons issue de la désintégration du $J/\psi$ : $m(\ell \mu^+\mu^-)$.

• Avantage : Cette observable est entièrement composée de leptons, offrant une résolution en impulsion supérieure et réduisant considérablement la sensibilité aux incertitudes d'étalonnage de l'énergie des jets.
• Objectif : Fournir une mesure complémentaire avec un ensemble distinct d'incertitudes systématiques pour tester la cohérence de l'interprétation théorique de la masse du quark top.

2. Méthodologie

Données et Simulation :

• Jeu de données : Données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS durant le Run 2 du LHC ($\sqrt{s} = 13$ TeV), correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$.
• Processus de signal : Production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) et de quarks top uniques.
• Simulation : Les événements de signal ont été simulés en utilisant Powheg Box v2 (QCD NLO) couplé à Pythia 8 (cascade de partons et hadronisation). Des échantillons alternatifs utilisant Herwig 7 et des variations des paramètres de cascade de partons ont été utilisés pour estimer les incertitudes systématiques. Les bruits de fond (par exemple, $W/Z$+jets, dibosons) ont été modélisés en utilisant Sherpa et MadGraph5_aMC@NLO.

Définition et sélection des objets :

• Leptons : Les événements doivent contenir exactement un lepton isolé de haute $p_T$ ($e$ ou $\mu$) issu de la désintégration $W$ ($p_T > 25$ GeV).
• Reconstruction du $J/\psi$ : Reconstruit via la désintégration $J/\psi \to \mu^+\mu^-$. Les muons sont « mous » ($p_T > 3$ GeV) et non isolés, provenant de désintégrations d'hadrons $b$.
• Critères de sélection :
  • Au moins un jet taggé $b$.
  • Masse invariante du $J/\psi$ dans la plage $2,9\text{--}3,3$ GeV.
  • Impulsion transverse du $J/\psi$ $p_T > 8$ GeV.
  • Impulsion transverse du système $p_T(\ell \mu^+\mu^-) > 25$ GeV.
  • Masse invariante du système $10 < m(\ell \mu^+\mu^-) < 160$ GeV.
• Rendement : Environ 12 165 événements ont passé la sélection finale. La fraction de signal (événements avec une vraie désintégration $b \to J/\psi$) est d'environ $73\%$.

Technique d'analyse :

• Ajustement par modèles (Template Fit) : Un ajustement de vraisemblance maximale non binné est effectué sur la distribution de $m(\ell \mu^+\mu^-)$.
• Modèles (Templates) :
  • Dépendants de $m_{top}$ : Construits à partir d'échantillons $t\bar{t}$ et de quarks top uniques générés avec diverses masses d'entrée ($169$à$176$ GeV). Ils sont paramétrés par une somme d'une fonction Gaussienne et d'une fonction Log-Normale.
  • Indépendants de $m_{top}$ : Construits à partir des processus de bruit de fond ($W/Z$+jets, dibosons, etc.) et ajustés avec un polynôme de Tchebychev.
• Étalonnage : La relation entre la masse générée ($m_{gen}$) et la masse reconstruite ($m_{rec}$) a été vérifiée comme étant linéaire et sans biais à l'aide de pseudo-expériences.

3. Contributions clés

1. Nouvelle observable : La première mesure ATLAS de $m_{top}$ utilisant l'observable $m(\ell \mu^+\mu^-)$, qui contourne les incertitudes dominantes sur l'échelle d'énergie des jets affectant les mesures précédentes.
2. Caractérisation des incertitudes systématiques : Une analyse détaillée des incertitudes spécifiques à ce canal, mettant en évidence la sensibilité à :
   • Cascade de partons et hadronisation : Modélisation de la fragmentation du quark $b$ et du recul du gluon.
   • Fragmentation du quark $b$ : La modélisation spécifique de la manière dont le quark $b$ se transforme en un hadron $b$ puis en un $J/\psi$.
   • Schéma de recul : L'ambiguïté dans la cascade de partons dipolaire concernant la particule qui recule par rapport aux émissions de gluons secondaires du quark $b$.
3. Estimation du bruit de fond basée sur les données : Utilisation de la « méthode matricielle » pour les leptons non prompts/fictifs et de vérifications dans les bandes latérales pour les bruits de fond combinatoires.

4. Résultats

La masse du quark top mesurée est :
$$m_{top} = 172,17 \pm 0,80 \text{ (stat)} \pm 0,81 \text{ (syst)} \pm 1,07 \text{ (recul)} \text{ GeV}$$

• Incertitude totale : 1,56 GeV.
• Décomposition des incertitudes :
  • Statistique : 0,80 GeV (dominée par le nombre limité d'événements de signal dû au faible taux de branchement de $b \to J/\psi$).
  • Systématique (excluant le recul) : 0,81 GeV. Les contributeurs majeurs incluent la modélisation de la cascade de partons/hadronisation (0,40 GeV), la modélisation du bruit de fond $W$+jets (0,40 GeV) et le rayonnement de l'état final (0,21 GeV).
  • Incertitude de recul : 1,07 GeV. Cela découle de l'ambiguïté dans le schéma de recul du gluon de la cascade de partons dipolaire (choix entre le quark $b$ ou le quark top comme particule de recul). C'est la source d'incertitude unique la plus importante.
• Comparaison : Le résultat est en bon accord avec les mesures ATLAS précédentes, la combinaison ATLAS+CMS du Run 1 ($172,52 \pm 0,33$ GeV) et la mesure CMS dans le même canal ($173,5 \pm 3,0$ GeV).

5. Signification

• Complémentarité : Cette mesure fournit une vérification cruciale de la masse du quark top en utilisant une méthode avec un profil d'erreurs systématiques complètement différent. Alors que les mesures traditionnelles sont limitées par les échelles d'énergie des jets, cette méthode est limitée par la modélisation théorique de la fragmentation du quark $b$ et des cascades de partons.
• Insight théorique : La grande incertitude associée au schéma de recul du gluon (1,07 GeV) met en évidence une lacune significative dans la compréhension théorique de la manière dont les cascades de partons gèrent la cohérence de couleur et le recul dans les désintégrations de quarks top. Cela suggère que les futures améliorations de la précision de $m_{top}$ utilisant ce canal dépendent fortement du raffinement des modèles de cascade QCD plutôt que simplement de la collecte de plus de données.
• Perspectives futures : L'incertitude statistique (0,80 GeV) indique qu'avec l'ensemble complet des données du LHC à haute luminosité, la précision statistique pourrait être considérablement améliorée, rendant potentiellement cette méthode compétitive pour les futures déterminations de $m_{top}$ une fois les incertitudes de modélisation mieux contraintes.

En résumé, cet article établit une méthode robuste, indépendante des jets, pour mesurer la masse du quark top, produisant un résultat cohérent avec le Modèle Standard mais exposant des domaines spécifiques de la modélisation QCD (recul et fragmentation) qui nécessitent une attention théorique et expérimentale supplémentaire.