Measurement of the top-quark production cross-section and charge asymmetry at LHCb

En utilisant des données de collisions proton-proton à 13 TeV correspondant à 5,4 fb⁻¹ de luminosité intégrée, l'expérience LHCb présente les premières mesures des sections efficaces de production différentielle et totale des quarks top et antitop ainsi que de l'asymétrie de charge du quark top dans la région vers l'avant, trouvant des résultats cohérents avec les prédictions du Modèle Standard à l'ordre suivant le premier (NLO).

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme le briseur de particules le plus puissant au monde. Habituellement, lorsque les scientifiques examinent les débris issus de la collision de protons, ils regardent droit devant eux ou légèrement sur les côtés. Mais l'expérience LHCb est comme une caméra spécialisée perchée sur le côté de la piste, regardant loin dans le tunnel « vers l'avant ».

Ce document traite du moment où l'équipe LHCb a enfin réussi à prendre une photo en gros plan du quark top, la particule la plus lourde et la plus massive du Modèle Standard de la physique. Considérez le quark top comme le « roi » du monde des particules : il est si l'on peut dire si lourd qu'il est presque comme une petite planète instable qui s'effondre dès sa naissance.

Voici ce que les scientifiques ont fait et découvert, décomposé en concepts simples :

1. La chasse dans la zone « vers l'avant »

La plupart des autres expériences du LHC (comme ATLAS et CMS) regardent le centre de la collision. L'expérience LHCb, quant à elle, regarde la région « vers l'avant » — la zone où les particules s'envolent selon un angle aigu, presque parallèles au faisceau.

• L'analogie : Imaginez un canon tirant des boulets de canon. ATLAS et CMS se tiennent juste devant le canon, captant les boulets qui sortent droit devant eux. LHCb se tient sur le côté, captant ceux qui ricochent ou sortent selon un angle.
• Pourquoi c'est important : Dans cette zone vers l'avant, les règles de formation des particules sont légèrement différentes. C'est comme regarder une foule depuis l'arrière d'un stade plutôt que depuis l'avant ; on voit des motifs différents. Cette vue spécifique aide les scientifiques à comprendre la « colle » (les gluons) qui maintient les protons ensemble, surtout lorsque cette colle transporte beaucoup d'énergie.

2. La danse du « Top » et de l'« Anti-Top »

Lorsque les protons s'entrechoquent, ils peuvent créer une paire de quarks top : un top ($t$) et un anti-top ($\bar{t}$).

• La mesure : L'équipe a compté combien de tops et d'anti-tops ont été créés. Ils ont trouvé que pour chaque 100 tops créés, il y avait environ 85 anti-tops.
• Le résultat : Ils ont calculé la « section efficace de production », une façon élégante en physique de dire « quelle taille de cible le quark top présente lors de la collision ». Ils ont découvert que le quark top est produit légèrement plus souvent que l'anti-quark top dans cette région vers l'avant.

3. L'asymétrie de charge (le biais « gauche-droite »)

C'est la partie la plus excitante du document. Dans un monde parfaitement symétrique, on s'attendrait à voir exactement le même nombre de tops volant vers la gauche que d'anti-tops volant vers la gauche. Mais l'univers n'est pas toujours parfaitement symétrique.

• L'analogie : Imaginez une piste de danse où la musique est légèrement décalée par rapport au rythme. Si vous demandez à tout le monde de tournoyer, vous pourriez découvrir que les hommes tournent légèrement plus vers la gauche, tandis que les femmes tournent légèrement plus vers la droite, même si la musique est la même pour tout le monde.
• La découverte : L'équipe LHCb a mesuré une « asymétrie de charge ». Ils ont constaté que les quarks top ont tendance à voler dans une direction (vers l'avant) légèrement plus souvent que les anti-tops. La mesure était de 0,08, ce qui signifie qu'il existe un biais faible mais notable.
• Pourquoi c'est important : C'est la première fois que ce biais spécifique est mesuré dans la région vers l'avant au LHC. Des expériences précédentes avaient perçu des indices de ce phénomène, mais l'angle unique de LHCb a offert une vue plus fraîche et plus claire. Le résultat correspond aux prédictions du Modèle Standard (notre meilleure théorie actuelle de la physique), ce qui est un bon signe montrant que notre théorie fonctionne correctement.

4. Comment ils ont procédé (le travail de détective)

Les quarks top ne durent pas assez longtemps pour être vus directement. Ils se désintègrent instantanément en d'autres particules. L'équipe a recherché une « signature » spécifique laissée derrière eux :

• L'indice : Ils ont recherché un muon (un électron lourd) et un b-jet (une gerbe de particules provenant d'un quark bottom).
• Le filtre : Le détecteur est comme un tamis. Ils ont dû filtrer des millions d'événements « parasites » (comme des étincelles aléatoires ou d'autres particules) pour trouver les quelques milliers de véritables événements de quarks top. Ils ont utilisé un cerveau informatique sophistiqué (un réseau de neurones profonds) pour agir comme un videur, vérifiant les identités pour s'assurer que les particules étaient bien ce qu'elles prétendaient être.
• Les données : Ils ont analysé des données de 2015 à 2018, l'équivalent de 5,4 « femtobarns inverses » de collisions (une unité de la quantité de données collectées).

5. La conclusion

Le document conclut que :

1. Ils ont réussi à mesurer les taux de production des quarks top dans la région vers l'avant pour la première fois.
2. Ils ont mesuré l'asymétrie de charge (la légère préférence des tops sur les anti-tops) et l'ont trouvée égale à 0,08.
3. Ces chiffres concordent parfaitement avec les prédictions faites par le Modèle Standard.

En bref : L'équipe LHCb a regardé le côté de la piste de collision des particules, a capturé la particule la plus lourde de l'univers, et a confirmé qu'elle se comporte exactement comme nos meilleures théories le prédisent, avec une préférence infime mais mesurable pour voler dans une direction plutôt qu'une autre. C'est une victoire pour la physique de précision et une confirmation que notre compréhension du monde subatomique tient toujours bon.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des sections efficaces de production du quark top et de l'asymétrie de charge à LHCb

Problématique et motivation
Le quark top, en tant que particule fondamentale la plus massive du Modèle Standard (MS), joue un rôle central dans la brisure de la symétrie électrofaible et les interactions avec le boson de Higgs. Sa section efficace de production est hautement sensible à la fonction de distribution de partons (PDF) de gluons, particulièrement dans la région de grand-$x$ de Bjorken où les contraintes restent faibles. Bien que les expériences ATLAS et CMS de la Grande Collisionneur de Hadrons (LHC) aient mesuré de manière extensive la production de quarks top dans les régions de rapidité centrales, la région vers l'avant offre un régime cinématique unique. Dans cette région, le MS prédit qu'environ 80 % des quarks top proviennent de la production de paires $t\bar{t}$, tandis que les 20 % restants sont dominés par la production de quark top unique par canal $t$. De plus, bien que la production de $t\bar{t}$ soit intrinsèquement symétrique en charge à l'ordre de calcul dominant, les effets QCD de l'ordre suivant (NLO) induisent une faible asymétrie de charge. Dans les collisions proton-proton, la production de quark top unique présente une asymétrie de charge intrinsèque significative (environ 40 %) en raison de la densité plus élevée de quarks $u$ par rapport aux quarks $d$. Le détecteur LHCb, avec son acceptation vers l'avant unique ($2 < \eta < 5$), fournit un environnement complémentaire pour sonder ces régimes cinématiques et potentiellement observer l'asymétrie de charge du quark top avec une sensibilité accrue grâce à la réduction de la dilution par fusion de gluons.

Méthodologie
Cette analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 5,4 fb$^{-1}$. La mesure se concentre sur le canal de désintégration $t \to W^+ b$, où le boson $W$ se désintègre de manière leptonique en un muon ($W^+ \to \mu^+ \nu_\mu$).

• Région fiduciaire : L'analyse est réalisée dans un espace de phase fiduciaire spécifique défini par :
  • Muon : $p_{T,\mu} > 25$ GeV et $2,0 < \eta_\mu < 4,5$.
  • $b$-jet : Reconstruit à l'aide de l'algorithme anti-$k_T$ ($R=0,5$) avec $p_{T,jet} > 50$ GeV et $2,2 < \eta_{jet} < 4,0$.
  • Système : Le système muon + $b$-jet doit satisfaire $p_T(\mu + \text{jet}) > 20$ GeV.
• Sélection d'événements et suppression du bruit de fond :
  • Les candidats sont formés à partir de paires muon-jet bien séparées ($\Delta R > 0,5$).
  • Les bruits de fond de saveur lourde semi-leptoniques sont supprimés en exigeant que l'impact parameter du muon soit $< 0,04$ mm.
  • La mauvaise identification des hadrons est supprimée via des coupures sur le dépôt d'énergie dans le calorimètre.
  • La contamination $Z/\gamma^* \to \mu^+\mu^-$ est rejetée en éliminant les événements possédant un second muon à haut $p_T$.
  • L'identification du $b$-jet utilise un classificateur par Réseau de Neurones Profonds (DNN) entraîné sur des échantillons simulés. Un point de fonctionnement de $P_b > 0,65$ et $P_q < 0,05$ est sélectionné. Un ajustement par gabarit (template fit) de la distribution de $P_b$ dans les données est utilisé pour extraire la fraction de $b$-jet, produisant une pureté d'environ 74 %.
  • Les bruits de fond QCD multijets sont supprimés en utilisant des critères cinématiques sur l'impulsion transverse totale du système $\mu+b$-jet et l'isolation du muon ($I_\mu > 0,9$). Le bruit de fond QCD résiduel est estimé par une méthode ABCD basée sur les données dans le plan ($p_{T,total}$, $I_\mu$).
  • Les bruits de fond électrofaibles ($Z+b$-jet et $W+b$-jet) sont estimés à l'aide de simulations et de corrections basées sur les données.
• Correction et efficacité :
  • Les rendements du signal sont corrigés pour les effets du détecteur, incluant les efficacités de reconstruction et de sélection des muons, l'efficacité de reconstruction des jets et l'efficacité de marquage des $b$-jets ($b$-tagging).
  • Les efficacités des muons sont déterminées via une méthode tag-and-probe utilisant les données $Z \to \mu^+\mu^-$.
  • Les corrections de migration pour les effets de résolution du détecteur sont évaluées par simulation ; les migrations de cellule en cellule en $\eta_\mu$ sont jugées négligeables.
  • Un facteur d'acceptation est appliqué pour corriger l'écart entre la définition fiduciaire (somme vectorielle des $p_T$) et la définition de la région de signal (impulsion transverse du jet contenant le muon).

Contributions clés et résultats
L'article présente les premières mesures des sections efficaces de production différentielles pour les quarks top ($t$) et antitop ($\bar{t}$) en fonction de la pseudorapidité du muon ($\eta_\mu$) dans la région vers l'avant, ainsi que l'asymétrie de charge correspondante ($A_C^t$).

• Sections efficaces intégrées :
  Les sections efficaces de production totales dans la région fiduciaire sont mesurées comme suit :

  • $\sigma_t = 0,95 \pm 0,04 \text{ (stat)} \pm 0,08 \text{ (syst)} \pm 0,02 \text{ (lumi)}$ pb.
  • $\sigma_{\bar{t}} = 0,81 \pm 0,03 \text{ (stat)} \pm 0,07 \text{ (syst)} \pm 0,02 \text{ (lumi)}$ pb.
    Les incertitudes systématiques sont corrélées au niveau de 96 %.

• Asymétrie de charge :
  L'asymétrie de charge inclusive du quark top est mesurée à :

  • $A_C^t = 0,08 \pm 0,03 \text{ (stat)} \pm 0,01 \text{ (syst)}$.
    Cela correspond à une déviation de 2,64$\sigma$ par rapport à zéro.

• Mesures différentielles :
  Les sections efficaces différentielles et les asymétries sont fournies dans des bacs de $\eta_\mu$ (allant de 2,0 à 4,5). Les résultats sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard NLO de Powheg-BOX (utilisant les PDF CT18 et NNPDF3.1) et MadGraph (utilisant NNPDF3.1).

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ces résultats représentent les mesures les plus précises des sections efficaces de production de quarks top dans la région vers l'avant à ce jour. La mesure de l'asymétrie de charge est présentée comme la première observation significative de cet observable au LHC. Les résultats sont cohérents avec les prédictions NLO du Modèle Standard. L'article note que l'asymétrie mesurée reçoit des contributions de la fois de la production de $t\bar{t}$ et de la production de quark top unique ; pour les analyses futures avec des jeux de données plus importants, les auteurs suggèrent que l'asymétrie mesurée devrait être décomposée par un ajustement incorporant les asymétries attendues des deux processus. Ce travail fournit des contraintes complémentaires à ATLAS et CMS, particulièrement pour sonder le PDF de gluons à grand $x$.