ATLAS and CMS measurements of the $t\bar{t}$ cross section, including off-shell and near threshold

Ce rapport présente les mesures récentes des collaborations ATLAS et CMS de la section efficace de production de paires de quarks top, en mettant l'accent sur les effets hors couche de masse, les aspects de modélisation du générateur POWHEG bb4ℓ, ainsi que l'extraction du couplage de Yukawa et l'observation d'états quasi-liés près du seuil de production.

L'essentiel

Le Grand Atelier des Quarks Top : Une Histoire de l'ATLAS et du CMS

Imaginez que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN est une immense usine à particules. Pendant les années 2015 à 2018, cette usine a fonctionné à plein régime, produisant des paires de particules appelées quarks top (ou simplement "tops") à une vitesse vertigineuse : plus de 15 paires par seconde ! C'est comme si l'usine fabriquait des voitures de sport en une fraction de seconde.

Les expériences ATLAS et CMS sont les deux grands ateliers de contrôle qualité de cette usine. Ils ont collecté une montagne de données (plus de 115 millions de paires de tops !) pour répondre à trois grandes questions :

1. Combien de tops produisons-nous exactement ?
2. Comment se comportent-ils quand ils sont un peu "malades" ou instables ?
3. Que se passe-t-il quand ils sont si lents qu'ils semblent presque se tenir la main ?

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1. Le Comptage Précis : Peser l'Invisible

Pour mesurer la production de tops, les physiciens ont utilisé deux méthodes très différentes, un peu comme si vous vouliez compter des poissons dans un étang.

• La méthode "Eau Claire" (CMS) : L'équipe CMS a pris une petite quantité d'eau, mais une eau d'une pureté absolue (peu de "boue" ou de bruit de fond). Ils ont regardé des événements où un top se transforme en un électron et un muon (deux types de particules légères). C'est propre, facile à voir, mais il y a peu de poissons dans ce petit filet.
• La méthode "Grande Filet" (ATLAS) : L'équipe ATLAS a utilisé un filet énorme (toutes les données de l'expérience) pour attraper des poissons dans une eau un peu plus trouble. Ils ont ciblé un cas très spécifique et rare (un électron et un muon avec deux jets de particules lourdes). Grâce à leur filet géant, ils ont pu compter des millions de tops.

Le résultat ? Les deux équipes sont tombées d'accord : le nombre de tops produits correspond presque parfaitement aux prédictions théoriques. C'est comme si l'usine produisait exactement le nombre de voitures prévu par les ingénieurs, ce qui valide les lois de la physique que nous connaissons.

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2. Les Tops "Malades" : Quand la règle ne s'applique plus

Normalement, quand un top se désintègre, il passe par une étape intermédiaire très courte (comme un pont). Les physiciens appellent cela l'état "sur la coquille" (on-shell). Mais parfois, le top est si instable qu'il saute cette étape ou qu'il se désintègre de manière un peu "bizarre" (état "hors coquille" ou off-shell).

C'est comme si vous essayiez de suivre une recette de cuisine, mais que parfois, l'œuf casse avant même d'être cassé, ou que la farine se mélange à l'eau avant d'être versée.

• Le problème : Les ordinateurs (les simulations) qui prédisent comment ces tops se comportent ont du mal à modéliser ces cas bizarres.
• La solution : Les chercheurs ont testé de nouveaux logiciels de simulation (comme Powheg bb4ℓ). C'est comme passer d'une recette de grand-mère approximative à un robot de cuisine de haute précision.
• Le résultat : Avec ces nouveaux logiciels, les prédictions correspondent beaucoup mieux à la réalité observée, même dans les cas les plus complexes où les tops ne suivent pas le chemin "classique".

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3. La Danse des Amants : Les États Liés (Toponium)

C'est la partie la plus magique de l'histoire. Imaginez deux tops qui se déplacent très lentement l'un vers l'autre. Au lieu de se percuter et de disparaître immédiatement, ils pourraient former un couple temporaire, un peu comme deux danseurs qui se tiennent la main avant de se séparer.

En physique, on appelle cela un état lié ou "toponium".

• Le phénomène : Normalement, les tops sont si lourds et instables qu'ils se désintègrent avant d'avoir le temps de danser. Mais, juste avant de mourir, ils peuvent échanger des "gluons" (la colle de l'univers) et former une sorte de bulle d'énergie.
• La découverte : ATLAS et CMS ont remarqué un petit excès de événements à une vitesse très précise. C'est comme si, en regardant une foule, vous voyiez soudainement deux personnes qui se tiennent la main plus souvent que la moyenne.
• Pourquoi c'est important ? Cela prouve que même des particules ultra-lourdes et ultra-rapides peuvent obéir aux règles de la mécanique quantique et former des paires. C'est la première observation directe de ce phénomène !

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4. Le Secret de la Masse : Le Higgs et l'Amour

Enfin, les physiciens ont utilisé cette danse lente pour mesurer quelque chose de très intime : l'amour du quark top pour le boson de Higgs.

Le boson de Higgs est ce qui donne leur masse aux particules. Plus une particule "aime" le Higgs, plus elle est lourde. Le quark top est le plus lourd, donc il devrait avoir un lien très fort avec le Higgs.

• L'expérience : En regardant comment les tops se comportent quand ils sont très lents (près du seuil de production), les physiciens ont pu mesurer la force de ce lien, appelé couplage de Yukawa.
• Le verdict : La mesure indique que le top aime le Higgs exactement comme le prédit la théorie standard, même si la marge d'erreur est encore un peu grande (comme essayer de peser un éléphant avec une balance de cuisine). C'est une confirmation importante que notre compréhension de l'univers est solide.

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En Résumé

Ce rapport nous dit que :

1. L'usine de particules du CERN fonctionne parfaitement : nous comptons les tops avec une précision incroyable.
2. Nos logiciels de simulation sont devenus si bons qu'ils peuvent même prédire le comportement des tops "bizarres" et instables.
3. Nous avons vu pour la première fois des tops former des couples temporaires (toponium), prouvant que la mécanique quantique règne même sur les géants de l'univers.
4. Nous avons confirmé que le quark top a un lien très fort avec le boson de Higgs, comme prévu.

C'est une victoire pour la physique : nos théories résistent aux tests les plus rigoureux, et nous sommes prêts à explorer encore plus loin avec les nouvelles données qui arrivent !

Résumé technique

Titre : Mesures ATLAS et CMS de la section efficace $t\bar{t}$, incluant les effets hors-coquille et près du seuil

Auteur : Baptiste Ravi (pour les collaborations ATLAS et CMS)
Contexte : CERN, Genève, Suisse (Résumé basé sur les données du Run 2 du LHC, 2015-2018).

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1. Problématique et Contexte

Le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a produit plus de 15 paires de quarks top-antitop ($t\bar{t}$) par seconde lors du Run 2, constituant une véritable « usine à quarks top ». Avec plus de 115 millions de paires collectées par ATLAS et CMS, l'objectif est de réaliser des mesures de précision de la section efficace de production ($\sigma_{t\bar{t}}$) et d'explorer des aspects fondamentaux de la Chromodynamique Quantique (QCD) et du Modèle Standard (MS) qui échappent aux approches classiques.

Les défis techniques majeurs identifiés dans ce rapport sont :

• La nécessité de mesurer la section efficace avec une précision accrue, en utilisant des environnements à faible superposition de collisions (low-pileup) ou des états finals dileptoniques très propres.
• La modélisation précise des topologies « hors-coquille » (off-shell), où les quarks top ne sont pas traités comme des résonances on-shell, incluant les interférences avec les processus $tW$ et $WbWb$.
• L'exploration de la région du seuil de production ($m_{t\bar{t}} \sim 2m_t$) pour détecter des états quasi-liés (« toponium ») et mesurer indirectement le couplage de Yukawa du quark top ($g_t$).

2. Méthodologie

Les collaborations ont employé plusieurs stratégies expérimentales et théoriques :

A. Mesures de la section efficace inclusive

• Approche CMS : Utilisation d'un sous-ensemble de données à très faible superposition (2017, $\sqrt{s}=5.02$ TeV, $\langle\mu\rangle=2$) pour isoler le processus dur. L'analyse cible l'état final semi-leptonique. Un ajustement par vraisemblance maximale est effectué dans des tranches de multiplicité de jets et de jets $b$.
• Approche ATLAS : Utilisation de l'ensemble complet des données du Run 2 (140 fb$^{-1}$) sur l'état final $e\mu + b\bar{b}$ (faible rapport d'embranchement mais très propre). Une technique de comptage de jets $b$ permet une extraction in-situ des efficacités de tag. Le générateur d'événements Powheg MiNNLOps est utilisé pour bénéficier d'une précision NNLO (Next-to-Next-to-Leading Order) pour les leptons.

B. Modélisation des effets hors-coquille

• Défis théoriques : Les approches traditionnelles (Diagram Removal/DR et Diagram Subtraction/DS) pour séparer les contributions $t\bar{t}$ et $tW$ ne sont pas invariantes de jauge et introduisent des incertitudes. L'approximation de la largeur étroite (NWA) est souvent insuffisante.
• Solution : Utilisation du générateur Powheg bb4ℓ, qui part d'une matrice d'éléments $2 \to 6$ ($pp \to \ell^\pm \bar{\nu} b \ell'^\mp \nu \bar{b}$) avec corrections NLO QCD. Cela inclut naturellement les interférences complètes, les effets hors-coquille, les diagrammes électrofaibles sous-dominants et les corrélations de spin.

C. Physique près du seuil

• Toponium : Recherche d'un excès d'événements près de $2m_t$ dû à la formation d'états quasi-liés (potentiel Coulombien QCD) avant la désintégration faible.
  • CMS : Modélise une résonance pseudo-scalaire $\eta_t$ via MadGraph.
  • ATLAS : Utilise une fonction de Green repondérée (Green's Function Reweighted - GFRW) basée sur la QCD non-relativiste (NRQCD) appliquée à la matrice d'éléments SM.
• Couplage de Yukawa ($g_t$) : Mesure indirecte via l'échange de bosons de Higgs virtuels entre les deux quarks top, sensible à $g_t^2$. Une analyse ATLAS utilise un ajustement de template sur la distribution $m_{t\bar{t}}$ en fonction de $Y_t^2 = (g_t/g_t^{SM})^2$.

3. Résultats Clés

A. Sections efficaces inclusives

• CMS : $\sigma(t\bar{t}) = 62.5 \pm 1.6 \text{ (stat)} +2.6_{-2.5} \text{ (syst)} \pm 1.2 \text{ (lumi)}$ pb. En accord raisonnable avec la prédiction NNLO+NNLL ($69.5^{+3.5}_{-3.7}$ pb).
• ATLAS : $\sigma(t\bar{t}) = 829.3 \pm 1.3 \text{ (stat)} \pm 8.0 \text{ (syst)} \pm 7.3 \text{ (lumi)} \pm 1.9 \text{ (beam)}$ pb. En excellent accord avec la prédiction NNLO+NNLL ($834^{+29}_{-37}$ pb).
• Différentielles : Les mesures différentielles montrent que le générateur Powheg MiNNLOps décrit le mieux les observables 1D et 2D par rapport aux configurations NLO standard (Powheg hvq). Cependant, la distribution $\Delta\phi_{e\mu} \times m_{e\mu}$ près du seuil ($m_{e\mu} < 80$ GeV) présente un excès par rapport à tous les générateurs MC testés.

B. Modélisation hors-coquille

• Le générateur Powheg bb4ℓ démontre une performance supérieure pour décrire les distributions dans l'état final $e\mu + b\bar{b}$ (sans exigence de résonance top), offrant un accord $\chi^2/NDF$ amélioré par rapport à MiNNLOps sur certaines observables.
• Cela valide la nécessité de passer d'une modélisation par étapes (production + désintégration NWA) à une approche complète NLO pour les désintégrations, bien que les corrections NNLO pour ce processus spécifique soient encore en développement théorique.

C. Découvertes au seuil

• Toponium : ATLAS et CMS rapportent tous deux un excès significatif d'événements près du seuil de production ($m_{t\bar{t}} \sim 350$ GeV), compatible avec la formation d'états quasi-liés de spin singulet.
  • Significativité statistique : > 5$\sigma$.
  • Sections efficaces mesurées : $\sigma(t\bar{t}_{GFRW}) \approx 9.3$ pb (ATLAS) et $\sigma(\eta_t) \approx 8.8$ pb (CMS), légèrement supérieures aux prédictions NRQCD de 6.43 pb.
• Couplage de Yukawa : ATLAS extrait une valeur $Y_t^2 = 1.3 \pm 1.7$, ce qui correspond à une limite supérieure à 95% de confiance de $Y_t < 2.1$. Ce résultat est compatible avec le Modèle Standard, bien que les incertitudes (modélisation et échelle d'énergie des jets) restent importantes.

4. Contributions et Significativité

Ce rapport met en lumière plusieurs avancées majeures pour la physique du quark top au LHC :

1. Précision inégalée : Les mesures de section efficace atteignent une précision de l'ordre de 1-2%, validant les prédictions théoriques NNLO+NNLL et servant de contrainte forte pour les modèles de QCD.
2. Évolution de la modélisation MC : Le passage vers des générateurs intégrant les effets hors-coquille et les interférences complètes (comme Powheg bb4ℓ) est désormais indispensable pour réduire les incertitudes systématiques, en particulier dans les régions de phase complexes (queues de distribution, seuils).
3. Découverte de phénomènes non-perturbatifs : L'observation d'un excès au seuil compatible avec le toponium constitue la première preuve expérimentale directe de la formation d'états quasi-liés de quarks top, un phénomène unique dû à la compétition entre l'interaction forte (liaison) et la désintégration faible (durée de vie courte).
4. Nouvelles voies pour la mesure du couplage de Yukawa : La mesure indirecte de $g_t$ via les effets de seuil offre une méthode complémentaire aux canaux directs ($t\bar{t}H$), ouvrant la voie à des tests de précision du mécanisme de Brout-Englert-Higgs.

Conclusion :
Les résultats du Run 2 confirment le rôle du LHC comme machine de précision. La capacité à modéliser des effets subtils (hors-coquille, interférences, états liés) et à extraire des paramètres fondamentaux (couplage de Yukawa) ouvre la voie à des études encore plus approfondies avec les données du Run 3, où la statistique accrue permettra de réduire les incertitudes systématiques dominantes.