Measurement of differential $t$-channel single top (anti)quark production cross-sections at 13 TeV with the ATLAS detector

En utilisant l'ensemble complet des données du Run 2 de 140 fb$^{-1}$ collectées par le détecteur ATLAS à 13 TeV, cette étude présente des mesures différentielles des sections efficaces de production de quarks top et d'antiquarks top par canal $t$, trouvant un bon accord avec les prédictions théoriques et établissant des contraintes sur le coefficient de Wilson $C_{Qq}^{3,1}$ dans un cadre de théorie effective des champs.

L'essentiel

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme la piste de course de particules la plus puissante et la plus rapide au monde. À l'intérieur de cet anneau, des scientifiques font s'entrechoquer des protons à des vitesses proches de celle de la lumière pour voir ce qui se passe lorsque les briques élémentaires de l'univers entrent en collision.

Ce document est un rapport détaillé, une sorte de bulletin de notes, de l'expérience ATLAS, l'un des gigantesques détecteurs qui observe ces collisions. L'équipe étudie un événement très spécifique et rare : la création d'un quark top unique.

La vue d'ensemble : Trouver une aiguille dans une botte de foin

Les quarks top sont les particules élémentaires les plus lourdes connues. Habituellement, ils sont créés par paires (comme des jumeaux) lors des collisions de protons. Mais parfois, à travers un processus d'« échange » spécifique impliquant une particule virtuelle appelée boson W, un quark top unique (ou son jumeau de matière antimatière, l'antiquark top) surgit tout seul.

Pensez à un jeu de billard. Habituellement, quand vous frappez une bille, vous pourriez avoir deux billes qui s'éloignent. Mais dans ce jeu spécifique de « canal t », une bille en frappe une autre, et elles échangent une queue de billard (le boson W), provoquant ainsi le départ d'une seule nouvelle bille sur la table. Les scientifiques voulaient mesurer exactement la fréquence à laquelle cela se produit et la vitesse à laquelle ces quarks top « solitaires » se déplacent.

Les données : Une bibliothèque massive de collisions

Les chercheurs n'ont pas seulement examiné quelques collisions ; ils ont analysé des données allant de 2015 à 2018. Cela correspond à 140 femtobarns inverses. Pour donner un ordre d'idée, si un femtobarn est un grain de sable, cet ensemble de données est comparable à une montagne de sable. Ils ont passé au crible des milliards de collisions pour trouver les quelques milliers qui contenaient la « signature » spécifique d'un événement de quark top unique :

• Un électron ou un muon isolé (un cousin lourd de l'électron).
• Beaucoup d'énergie « manquante » (emportée par des neutrinos invisibles).
• Exactement deux jets de particules, dont l'un provient d'un quark de fond (un jet « marqué b » ou b-tagged).

Le défi : Nettoyer le désordre

Le problème est que le « signal » (le quark top) est enfoui sous une montagne de « bruit de fond » (d'autres collisions de particules communes qui lui ressemblent).

Pour résoudre cela, l'équipe a utilisé un Réseau de Neurones (NN). Voyez cela comme un détective numérique hautement entraîné. On lui a appris à observer les formes, les vitesses et les angles des particules lors d'une collision et à leur attribuer un « score de suspicion ». Si le score était suffisamment élevé, l'événement était conservé ; s'il était bas, il était écarté. Cela leur a permis de séparer les événements rares de quarks top du bruit de fond commun avec une grande précision.

La mesure : Cartographier le terrain

Une fois les événements isolés, les scientifiques ne se sont pas contentés de les compter. Ils voulaient savoir où et à quelle vitesse ces quarks top se déplaçaient. Ils ont mesuré la « section efficace » (un mot savant pour la probabilité que l'événement se produise) de deux manières :

1. Absolue : Combien d'événements se sont produits au total.
2. Normalisée : Quel pourcentage des événements totaux est tombé dans des plages spécifiques de vitesse ou de position.

Ils ont cartographié ces événements en fonction de :

• L'impulsion transverse ($p_T$) : La force avec laquelle le quark top se déplace latéralement.
• La rapidité ($|y|$) : La distance parcourue par le quark top vers l'avant ou vers l'arrière par rapport au faisceau.

Ils ont fait cela séparément pour les quarks top et les antiquarks top. Pourquoi ? Parce que les protons sont composés de différents ingrédients (plus de quarks « haut » que de quarks « bas »). Théoriquement, créer un quark top devrait être légèrement plus facile que de créer un antiquark top. Les données ont confirmé cela, montrant un taux plus élevé pour les tops que pour les anti-tops.

Les résultats : Théorie vs Réalité

L'équipe a comparé ses mesures aux meilleures prédictions théoriques disponibles, qui sont comme des recettes mathématiques complexes décrivant comment l'univers devrait se comporter.

• Le verdict : Les mesures correspondent très bien aux prédictions. Les « recettes » (spécifiquement celles utilisant des calculs de l'ordre de la Next-to-Next-to-Leading Order) sont précises.
• La limitation : Bien que la correspondance soit bonne, les scientifiques ne peuvent pas encore distinguer les différentes versions des recettes car leur propre « flou » de mesure (incertitudes systématiques) est encore un peu trop important. C'est comme essayer d'entendre un murmure dans une pièce bruyante ; on sait que quelqu'un parle, mais on ne peut pas encore bien distinguer les mots précis.

Le rebondissement : Chercher une « Nouvelle Physique »

Enfin, l'équipe a utilisé ses données pour tester la présence d'une « Nouvelle Physique » en utilisant un cadre appelé Théorie des Champs Effectifs (EFT).

• L'analogie : Imaginez que le Modèle Standard (notre meilleure théorie actuelle) est la carte parfaite d'une ville. L'EFT demande : « Et s'il existait des tunnels secrets ou des raccourcis cachés que nous ne connaissons pas encore ? »
• Le test : Ils ont cherché un type spécifique de « raccourci » impliquant une interaction entre quatre quarks. Si ce raccourci existait, il modifierait la distribution de vitesse des quarks top, en particulier pour les plus rapides.
• Le résultat : Ils n'ont trouvé aucune preuve de ces tunnels secrets. Ils ont fixé une limite stricte sur la taille que ces « raccourcis » pourraient éventuellement avoir, améliorant ainsi les limites précédentes. Ils ont également dû tenir compte du fait que si ces raccourcis existaient, ils modifieraient la facilité avec laquelle on repère les événements (l'efficacité de sélection), et ils ont corrigé cela dans leurs calculs.

Résumé

En termes simples, ce document est un audit de haute précision sur la manière dont les quarks top uniques sont créés au LHC. L'équipe ATLAS a réussi à cartographier la vitesse et la direction de ces particules, a confirmé que nos théories actuelles de la physique fonctionnent correctement, et a resserré les règles sur l'endroit où la « nouvelle physique » pourrait se cacher. Ils n'ont pas trouvé de nouvelles particules, mais ils ont prouvé que l'univers se comporte exactement comme nos meilleures cartes le prédisent, même dans ces conditions extrêmes.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des sections efficaces différentielles de la production de quarks (anti)top par canal $t$ simple à 13 TeV avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
La production de quarks top simples via l'échange dans le canal $t$ d'un boson $W$ virtuel est un processus fondamental du Modèle Standard (SM), offrant une sonde directe des propriétés du quark top et du couplage $Wtb$. Bien que les sections efficaces totales aient été mesurées à diverses énergies du LHC, les mesures différentielles offrent des perspectives plus approfondies sur les fonctions de distribution de densité de partons (PDF), spécifiquement le rapport $u/d$ des quarks et la densité des quarks $b$. De plus, des distributions différentielles précises sont essentielles pour tester le SM par rapport aux prédictions de la chromodynamique quantique (QCD) d'ordre supérieur et pour contraindre la physique au-delà du Modèle Standard (BSM) via la théorie des champs effectifs (EFT). Les mesures précédentes à $\sqrt{s}=13$ TeV étaient limitées par des échantillons de données partiels ou des analyses combinant $tq$ et $\bar{t}q$. Cet article répond à la nécessité d'une mesure différentielle de haute précision, séparée pour $tq$ et $\bar{t}q$, en utilisant l'intégralité du jeu de données du Run 2, étendant ainsi la portée cinématique et améliorant les contraintes sur les opérateurs EFT.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS entre 2015 et 2018 à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s}=13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$.

• Sélection d'événements : Les événements de signal sont caractérisés par la désintégration leptonique du quark top, nécessitant exactement un électron ou un muon isolé ($p_T > 28$ GeV), une impulsion transverse manquante importante ($E_T^{miss} > 30$ GeV) et exactement deux jets. Un jet doit être identifié comme un jet $b$ (via l'algorithme DL1r avec un point de fonctionnement d'efficacité de 60 %) et posséder $|\eta| < 2,5$. Pour supprimer les fonds multijets, des exigences cinématiques sont appliquées, incluant $m_T(W) > 50$ GeV et une coupure spécifique sur l'angle azimutal entre le lepton et le jet principal.
• Extraction du signal : Un réseau de neurones (NN), entraîné sur des variables cinématiques pour distinguer le signal du bruit de fond, est employé. Une exigence de $D_{nn} > 0,93$ est imposée pour obtenir une grande pureté de signal, séparant l'analyse en deux régions de signal basées sur la charge du lepton ($\ell^+$ pour $tq$ et $\ell^-$ pour $\bar{t}q$).
• Estimation du bruit de fond : Les bruits de fond provenant de $t\bar{t}$, de top simple (canal $s$, $tW$), de dibosons et de $W/Z$+jets sont estimés à l'aide de simulations Monte Carlo (MC) normalisées via un ajustement simultané par maximum de vraisemblance de profil. Les bruits de fond multijets sont estimés en utilisant une combinaison de techniques basées sur les données et d'échantillons de dijets simulés.
• Déconvolution (Unfolding) : Les distributions mesurées sont corrigées des effets du détecteur (résolution, acceptation, efficacité) en utilisant la méthode de déconvolution itérative de D'Agostini. Les distributions sont déconvoluées au niveau des partons pour des quarks top stables et extrapolées à l'espace de phase cinématique complet.
• Comparaison théorique : Les résultats sont comparés aux prédictions du SM à l'ordre suivant (NLO) et à l'ordre suivant suivant (NNLO) en utilisant divers générateurs de matrice élémentaire (Powheg Box, MG_aMC@NLO), des programmes de cascade de partons (Pythia 8, Herwig 7) et des ensembles de PDF (NNPDF, MSHT, CT, ABMP, ATLASPDF).
• Interprétation EFT : Les sections efficaces différentielles en fonction de l'impulsion transverse du quark top ($p_T(t)$) sont interprétées dans le cadre de la théorie des champs effectifs du Modèle Standard (SMEFT). L'analyse contraint le coefficient de Wilson $C_{Qq}^{3,1}$ associé à un opérateur à quatre quarks ($O_{Qq}^{3,1}$), en tenant explicitement compte de l'impact des coefficients de Wilson non nuls sur l'efficacité de sélection et l'acceptation cinématique.

Principales contributions

1. Première mesure différentielle séparée : Ce travail présente la première mesure différentielle séparée des sections efficaces de production de $tq$ et $\bar{t}q$ à $\sqrt{s}=13$ TeV, ainsi que la première mesure de leur rapport en fonction de $p_T$ et de la rapidité $|y|$.
2. Étendue cinématique étendue : La mesure étend la plage de $p_T(t)$ ou $p_T(\bar{t})$ jusqu'à 500 GeV, une amélioration significative par rapport aux mesures précédentes limitées à 300 GeV.
3. Amélioration de la précision : En utilisant l'intégralité du jeu de données du Run 2 (140 fb$^{-1}$), l'analyse atteint une précision de 3 % à 6 % pour les sections efficaces différentielles normalisées en fonction de $|y|$, dépassant la précision de 7 % à 15 % des précédentes mesures à 8 TeV.
4. Contraintes EFT avec correction d'acceptation : L'analyse fournit une interprétation novatrice dans le cadre SMEFT qui intègre l'effet de l'opérateur à quatre quarks sur l'efficacité de sélection, un facteur souvent négligé dans les mesures inclusives.

Résultats

• Mesures de sections efficaces : Les sections efficaces différentielles absolues et normalisées de la production de $tq$ et $\bar{t}q$ sont mesurées en fonction de $p_T(t)$, $p_T(\bar{t})$, $|y(t)|$ et $|y(\bar{t})|$. Le rapport des sections efficaces est également mesuré.
• Comparaison avec la théorie : Globalement, un bon accord est observé entre les mesures et les prédictions théoriques.
  • Les calculs à ordre fixe au LO (MCFM) ne parviennent pas à décrire les spectres de $p_T$, comme attendu en raison de l'absence de rayonnement de gluons.
  • Les prédictions NLO et NNLO montrent un très bon accord avec les données, le NNLO fournissant généralement un meilleur ajustement.
  • Les prédictions utilisant différents ensembles de PDF sont en accord avec les incertitudes de mesure, bien que l'ensemble ABMP16 présente une probabilité plus faible pour la section efficace de $\bar{t}q$ dans la distribution $|y(\bar{t})|$ et surestime le rapport des sections efficaces.
• Incertitudes : Les mesures sont dominées par les incertitudes systématiques, principalement issues de la modélisation du signal et de sources expérimentales (échelle d'énergie des jets, étiquetage $b$). Les incertitudes statistiques deviennent significatives uniquement dans la région de haute $p_T$ et pour les rapports de sections efficaces.
• Contraintes EFT : L'interprétation des distributions de $p_T$ contraint le coefficient de Wilson $C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2$. L'intervalle au niveau de confiance de 95 % est déterminé à $-0,12 \text{ TeV}^{-2} < C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2 < 0,12 \text{ TeV}^{-2}$.

Signification
L'article affirme que cette analyse fait progresser de manière significative la compréhension de la production de quarks top simples en fournissant les mesures différentielles les plus précises à ce jour à 13 TeV. Les résultats valident les prédictions du SM à l'ordre NNLO et contraignent le rapport $u/d$ des quarks dans le proton. Crucialement, l'interprétation EFT démontre que la prise en compte des changements d'acceptation dus aux opérateurs BSM est essentielle pour dériver des contraintes précises. Les limites obtenues sur l'opérateur à quatre quarks $O_{Qq}^{3,1}$ améliorent les contraintes précédentes dérivées de la mesure de la section efficace totale inclusive, soulignant la sensibilité des distributions différentielles aux effets de la nouvelle physique. L'article conclut que la mesure est limitée par les incertitudes systématiques, suggérant que les améliorations futures dépendront d'une meilleure modélisation des processus de signal et des performances du détecteur.