Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Cette étude présente une mesure des distributions angulaires des dijets dans les collisions proton-proton à 13 TeV, confirmant globalement les prédictions de la chromodynamique quantique tout en établissant les limites les plus strictes à ce jour sur divers modèles de physique au-delà du modèle standard, notamment les interactions de contact des quarks, les dimensions spatiales supplémentaires et les particules de type axion.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Enquête : Chasser l'Invisible au CERN

Imaginez le CERN comme un immense terrain de jeu géant où l'on fait s'écraser deux trains de particules à une vitesse folle (presque celle de la lumière). Le but ? Créer des collisions si violentes qu'elles recréent les conditions qui régnaient juste après le Big Bang.

Dans cette expérience, les scientifiques du groupe CMS (le détective géant) ont regardé ce qui se passe quand deux "paquets" de particules, appelés jets (comme des fusées de débris), sont éjectés lors de ces collisions.

🎯 La Question : Y a-t-il un "Fantôme" ?

La physique actuelle, appelée Modèle Standard, est comme une carte routière très précise. Elle prédit exactement comment les particules devraient se comporter et se disperser après un choc.

Mais les scientifiques savent que cette carte est incomplète. Il manque des routes pour expliquer des mystères comme la Matière Noire (qui tient les galaxies ensemble mais qu'on ne voit pas) ou pourquoi la gravité est si faible comparée aux autres forces.

Ils soupçonnent qu'il existe de nouvelles "règles du jeu" ou de nouvelles particules cachées (la Physique au-delà du Modèle Standard). Si ces nouvelles règles existent, elles devraient modifier la façon dont les jets de particules sont éjectés.

🎲 L'Analogie du Billard Cosmique

Pour comprendre ce qu'ils ont mesuré, imaginez un jeu de billard :

1. La situation normale (Modèle Standard) : Si vous tapez deux boules de billard l'une contre l'autre, elles partent dans des directions prévisibles. Si vous faites des milliers de parties, vous obtenez une répartition statistique très régulière des angles de sortie. C'est ce que la théorie prédit.
2. La situation suspecte (Nouvelle Physique) : Imaginez maintenant qu'il y a un "fantôme" invisible sur la table. Parfois, quand les boules s'entrechoquent, ce fantôme les pousse légèrement, ou les fait rebondir d'une manière bizarre, créant des angles de sortie qui ne devraient pas exister selon les règles habituelles.

Les scientifiques ont analysé 138 billions de collisions (c'est énorme !). Ils ont regardé l'angle sous lequel les jets de particules s'éloignent l'un de l'autre. C'est comme si on prenait des photos de millions de parties de billard pour voir si, par hasard, les boules partent dans des directions "interdites".

🔍 Ce qu'ils ont trouvé

Après avoir nettoyé les données (en enlevant les erreurs de l'appareil de mesure, un peu comme nettoyer une photo floue), ils ont comparé leur observation avec la prédiction théorique la plus avancée jamais faite (un calcul mathématique ultra-complexe appelé "NNLO").

• Le verdict : Pour la grande majorité des cas, les boules de billard se comportent exactement comme prévu par la carte routière du Modèle Standard. C'est une excellente nouvelle pour la théorie actuelle !
• Le petit détail : Il y a de très légères différences dans la forme des courbes pour les collisions les plus énergétiques (les plus violentes). C'est comme si, sur les coups les plus forts, les boules partaient un tout petit peu plus sur le côté que prévu. Mais pour l'instant, ce n'est pas assez pour crier "Eureka !". Cela pourrait être une fluctuation statistique (une coïncidence) ou le signe très ténu d'une nouvelle physique.

🚫 Le Grand Nettoyage : Ce qui est exclu

Même s'ils n'ont pas trouvé le "fantôme" directement, cette expérience est cruciale car elle permet de fermer des portes.

En ne voyant pas de déviation majeure, les scientifiques peuvent dire : "Si ces nouvelles particules existent, elles doivent être beaucoup plus lourdes ou plus faibles que ce qu'on pensait."

Ils ont ainsi posé des limites très strictes sur plusieurs théories populaires :

• Les quarks composites : On a exclu l'idée que les quarks (les briques de la matière) soient eux-mêmes faits de quelque chose de plus petit, jusqu'à une échelle de 17 à 37 TeV (une énergie colossale).
• Les dimensions supplémentaires : L'idée que notre univers ait des dimensions cachées (comme dans Interstellar) est contrainte à des limites très précises.
• Les trous noirs quantiques : Ils ont exclu la possibilité de créer de minuscules trous noirs jusqu'à une certaine masse.
• Les particules de matière noire : Ils ont éliminé une grande partie des scénarios possibles pour les médiateurs de la matière noire.

🏆 En résumé

Cette étude est un chef-d'œuvre de précision. C'est comme si on avait construit la montre la plus précise du monde pour vérifier si le temps s'écoule exactement comme Newton l'avait prévu.

• Le résultat principal : La théorie actuelle tient toujours le coup.
• L'importance : En éliminant les mauvaises pistes, les scientifiques affinent leur recherche. Ils disent : "Ce n'est pas par ici, il faut chercher plus loin ou plus profond."

C'est une victoire de la rigueur scientifique : même en ne trouvant pas de "nouveaux monstres", on a dessiné avec une précision inédite les contours de notre univers, nous disant exactement où ne pas chercher, et nous laissant espérer que la prochaine collision, un peu plus énergétique, révélera enfin le secret caché.

Résumé technique

Titre de l'article

Mesure des distributions angulaires des dijets et recherche de physique au-delà du modèle standard dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV

1. Problématique et Contexte

Les collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons (LHC) produisent des paires de jets de particules très énergétiques (dijets) issues de la diffusion de partons (quarks et gluons). Bien que la Chromodynamique Quantique (QCD) prédise avec succès ces interactions, de nombreuses théories au-delà du modèle standard (BSM) proposent de nouvelles interactions ou structures fondamentales.

L'objectif principal de cette étude est double :

1. Tester la QCD perturbative : Comparer les données expérimentales aux prédictions théoriques les plus avancées (ordre NNLO en QCD + corrections électrofaibles NLO) pour valider notre compréhension des interactions fortes à des échelles d'énergie inédites.
2. Rechercher de la nouvelle physique : Utiliser la sensibilité des distributions angulaires des dijets pour détecter des déviations par rapport au modèle standard, susceptibles d'indiquer des phénomènes tels que la compositeness des quarks, des dimensions spatiales supplémentaires, des trous noirs quantiques, des médiateurs de matière noire, des particules de type axion (ALP) ou des couplages gluoniques anormaux.

2. Méthodologie

Données et Détection :

• Expérience : CMS au CERN.
• Énergie : $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Luminosité intégrée : $138 \text{ fb}^{-1}$ (données collectées entre 2016 et 2018).
• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en ligne via un système de déclenchement (trigger) basé sur l'impulsion transverse ($p_T$) des jets. En analyse hors ligne, on sélectionne des événements avec au moins deux jets reconstruits, avec $p_T > 500$ GeV pour le jet leading et $p_T > 200$ GeV pour le jet sub-leading.
• Variables clés :
  • Masse invariante des dijets ($M_{jj}$).
  • Variable angulaire normalisée : $\chi_{\text{dijet}} = \exp(|y_1 - y_2|)$, où $y_1$ et $y_2$ sont les rapidités des deux jets principaux. Cette variable est choisie car la section efficace QCD est presque indépendante de $\chi_{\text{dijet}}$, tandis que de nombreux signaux BSM se manifestent par un excès d'événements à faible $\chi_{\text{dijet}}$.
  • Boost du système de masse au centre des dijets : $|y_{\text{boost}}| < 1.11$.

Analyse Théorique et Simulation :

• Prédictions QCD : Utilisation du code NNLOJET pour obtenir des prédictions à l'ordre Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO) en QCD, incluant les corrections électrofaibles à l'ordre NLO. Deux choix d'échelles de renormalisation et de factorisation sont testés : $\mu_F = \mu_R = M_{jj}$ (choix central) et $\mu_F = \mu_R = \langle p_T \rangle$.
• Corrections de détecteur (Unfolding) : Les distributions mesurées au niveau du détecteur sont corrigées des effets de résolution et d'acceptation du détecteur pour obtenir des distributions au niveau "particule" (particle level). Cela permet une comparaison directe avec les prédictions théoriques. Une matrice de réponse est utilisée pour inverser les effets de migration entre les bins.
• Modèles BSM : Des simulations sont générées pour divers scénarios :
  • Interactions de contact (CI) pour la compositeness des quarks.
  • Modèle ADD (dimensions supplémentaires) et RS1 (trous noirs quantiques).
  • Médiateurs de matière noire (vecteurs et axiaux).
  • Particules de type axion (ALP) couplées aux gluons.
  • Théorie effective de champ (SMEFT) avec un opérateur de couplage triple-gluon anormal.

Analyse Statistique :

• Une fonction de vraisemblance (log-likelihood) est construite en comparant les données aux hypothèses "QCD seule" et "QCD + BSM".
• Les limites d'exclusion sont fixées à 95 % de niveau de confiance (CL) en utilisant la méthode $CL_s$ avec l'approximation asymptotique.
• Les incertitudes systématiques (échelle d'énergie des jets, résolution, modélisation de la réponse, PDFs, etc.) sont traitées comme des paramètres de nuisance profilés.

3. Contributions Clés

1. Première comparaison NNLO : C'est la première fois que des distributions angulaires de dijets corrigées des effets du détecteur sont comparées directement à des prédictions QCD à l'ordre NNLO incluant les corrections électrofaibles NLO.
2. Extension de la masse invariante : L'analyse couvre une plage de masse invariante jusqu'à $8.3$ TeV, bien au-delà des mesures précédentes, avec une luminosité record ($138 \text{ fb}^{-1}$).
3. Contraintes sur l'EFT et les ALP : Mise en place de contraintes rigoureuses sur les couplages des particules de type axion et sur les opérateurs de dimension 6 dans le SMEFT, en tenant compte des interférences et des contributions d'ordre supérieur.
4. Méthodologie d'Unfolding : Utilisation d'une méthode de vraisemblance maximale pour l'unfold, fournissant des résultats au niveau particule avec des matrices de corrélation complètes.

4. Résultats Principaux

Accord avec le Modèle Standard :

• Les données sont globalement en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard (QCD NNLO + EW NLO).
• Une légère différence de forme est observée dans les distributions normalisées pour des masses de dijets comprises entre 2,4 et 4,8 TeV et au-dessus de 6 TeV. Cependant, ces écarts ne sont pas statistiquement significatifs (la plus grande déviation locale est de 2,4 écarts-types dans le bin 7-13 TeV, mais aucune preuve de signal BSM n'est trouvée).
• Les prédictions utilisant les deux choix d'échelles ($\mu = M_{jj}$ et $\mu = \langle p_T \rangle$) diffèrent parfois plus que les incertitudes d'échelle standard, soulignant l'importance du choix de l'échelle à ces énergies.

Limites d'Exclusion (Niveau de confiance 95%) :
L'analyse établit les limites les plus strictes à ce jour pour plusieurs scénarios BSM :

• Compositeness des quarks (Interactions de contact) :
  • Échelle exclue jusqu'à 17 TeV pour une interférence destructive.
  • Échelle exclue jusqu'à 37 TeV pour une interférence constructive (dans le scénario de référence avec quarks gauches uniquement).
• Dimensions supplémentaires (Modèle ADD) :
  • L'échange de gravitons virtuels est exclu jusqu'à une échelle de 13,4 TeV (convention GRW).
• Trous noirs quantiques (QBH) :
  • Exclusion pour des masses inférieures à 8,5 TeV (modèle ADD6) et 6,3 TeV (modèle RS1).
• Médiateurs de matière noire :
  • Exclusion de médiateurs vectoriels/axiaux avec des masses entre 4 et 6,2 TeV pour des couplages $g_q > 0,5$.
• Particules de type axion (ALP) :
  • Le couplage au gluon est contraint : $c_g/f_a < 0,42 \text{ TeV}^{-1}$.
• Couplage triple-gluon anormal (SMEFT) :
  • Le paramètre $C_G/\Lambda^2$ est contraint à être inférieur à 0,0076 TeV$^{-2}$, une limite nettement plus stricte que les résultats précédents.

5. Signification

Cette étude représente une avancée majeure dans la précision des tests de la QCD à haute énergie. En atteignant l'ordre NNLO pour la comparaison avec les données, elle réduit les incertitudes théoriques et valide la robustesse du Modèle Standard jusqu'à des échelles de plusieurs TeV.

L'absence de déviation significative confirme le Modèle Standard mais impose des contraintes extrêmement sévères sur les modèles de nouvelle physique. Les limites établies, en particulier sur les interactions de contact et les couplages anormaux, repoussent les frontières de l'énergie accessible pour ces phénomènes, guidant les futures recherches théoriques et expérimentales vers des échelles d'énergie encore plus élevées ou des couplages plus faibles. La publication des résultats au niveau "particule" et des matrices de corrélation permet également à la communauté scientifique de réutiliser ces données pour d'autres analyses.