Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb of pp collision data at TeV with the ATLAS experiment
L'expérience ATLAS a analysé 140 fb de données de collisions proton-proton à 13 TeV dans des états finaux avec un ou deux leptons pour rechercher des résonances massives de spin-1 et de spin-2 se désintégrant en paires quark top-antitop, ne trouvant aucune déviation significative par rapport au Modèle Standard et établissant des limites d'exclusion sur les bosons hypothétiques, les gravitons de Kaluza-Klein et les gluons de Kaluza-Klein.
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L'univers est construit sur un fondement de particules et de forces que les physiciens ont passé un siècle à cartographier. Cette carte, connue sous le nom de Modèle Standard, explique avec succès comment les briques élémentaires connues de la matière interagissent. Cependant, elle est incomplète. Elle omet la gravité, la force qui maintient les planètes en orbite, et n'offre aucune explication sur la raison pour laquelle certaines particules sont incroyablement lourdes tandis que d'autres sont presque sans poids. Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont proposé l'existence de particules plus lourdes, encore inconnues, tapies juste au-delà de notre portée actuelle. Ces particules hypothétiques seraient massives, bien plus lourdes que tout ce que nous avons jamais créé, et pourraient se désintégrer en paires de quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes connues. La découverte d'une telle particule lourde serait une découverte monumentale, signalant que les lois de la nature sont plus riches et plus complexes que nos théories actuelles ne le suggèrent.
Pour traquer ces géants insaisissables, l'expérience ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse fait entrer des protons en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsque ces protons entrent en collision, ils libèrent suffisamment d'énergie pour créer brièvement des particules lourdes qui n'existent pas dans la nature dans des conditions normales. Si une nouvelle particule lourde naît lors d'une telle collision, elle se fragmentera presque instantanément en une paire de quarks top. Le défi est que les quarks top sont instables et se désintègrent immédiatement en d'autres particules, créant un jet chaotique de débris difficile à distinguer des milliards de collisions ordinaires se produisant chaque seconde. Les chercheurs doivent passer au crible ce bruit, à la recherche d'une signature spécifique : une paire de quarks top qui semblent provenir d'une source unique et massive plutôt que du désordre aléatoire des collisions standards.
Une équipe de scientifiques utilisant le détecteur ATLAS a réalisé la recherche la plus complète à ce jour pour ces résonances lourdes. Ils ont analysé un ensemble massif de données de collision contenant 140 femtobarns inverses, collectées sur plusieurs années à un niveau d'énergie de 13 téra-électronvolts. Cela représente la collection complète de données de la deuxième phase majeure du collisionneur. L'équipe s'est concentrée sur deux manières spécifiques dont les quarks top pourraient se désintégrer : une où un seul électron ou muon est produit aux côtés d'autres particules, et une autre où deux de ces particules sont produites. En combinant ces deux approches, ils ont pu rechercher des signaux à travers une vaste gamme de masses, allant de 400 gigaelectronvolts jusqu'à 5 téraélectronvolts. Ils cherchaient des particules qui pouvaient être soit très étroites, apparaissant comme un pic aigu dans les données, soit très larges, apparaissant comme une colline douce et étendue.
Les chercheurs ont construit un modèle informatique détaillé de ce à quoi l'univers devrait ressembler si seules les particules connues du Modèle Standard étaient présentes. Ils ont ensuite comparé ce modèle aux données réelles enregistrées par le détecteur. Ils ont cherché toute déviation, tout endroit où les données réelles montraient plus d'événements que ce que le modèle prédisait, ce qui indiquerait la présence d'une nouvelle particule. Après avoir soigneusement pris en compte chaque source d'erreur et d'incertitude connue, de la manière dont le détecteur mesure l'énergie aux calculs théoriques du comportement des particules, ils n'ont trouvé aucune déviation de ce type. Les données correspondaient parfaitement à la prédiction du Modèle Standard sur l'ensemble du spectre de masse examiné.
Comme aucune nouvelle particule n'a été trouvée, l'équipe n'a pas fait état d'une découverte, mais plutôt d'un ensemble de limites strictes. Ils ont établi que si certains types de particules lourdes existent, elles ne peuvent pas être plus légères que des limites de masse spécifiques. Par exemple, ils ont exclu l'existence d'un type spécifique de particule lourde, connue sous le nom de boson Z-prime, avec une masse allant jusqu'à 4,2 téraélectronvolts si elle est étroite, ou jusqu'à 3,65 téraélectronvolts si elle est légèrement plus large. Ils ont également exclu un autre type de particule lourde, un gluon de Kaluza-Klein, avec des masses allant jusqu'à 4,1 téraélectronvolts. Pour un autre candidat, un graviton de Kaluza-Klein, ils ont exclu des masses allant jusqu'à 1,3 téraélectronvolt. Ces limites sont les plus rigoureuses jamais établies pour ces types spécifiques de particules dans les canaux de désintégration étudiés.
La recherche a couvert une grande variété de possibilités théoriques, incluant des modèles suggérant des dimensions supplémentaires de l'espace ou de nouvelles forces qui interagissent fortement avec le quark top. Bien que les résultats ne confirment pas l'existence de ces nouvelles particules, ils fournissent un guide crucial pour l'avenir. En indiquant aux scientifiques précisément où ces particules ne se trouvent pas, l'étude réduit le champ des possibles. Elle force les théoriciens à affiner leurs idées, poussant la masse potentielle de ces nouvelles particules encore plus haut ou suggérant qu'elles pourraient interagir de manières encore plus difficiles à détecter. Ce travail témoigne de la puissance de la mesure de précision, prouvant que même en l'absence d'une découverte, savoir ce qui n'est pas là est une étape vitale vers la compréhension de ce qui est.
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