Study of $t\bar{t}$ threshold effects in $e\mu$ differential distributions measured in $\sqrt{s}=13$\,TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

La collaboration ATLAS rapporte des preuves dépassant trois écarts-types pour la formation d'états quasi liés près du seuil $t\bar{t}$ dans les collisions $pp$ à 13 TeV, car les distributions différentielles normalisées $e\mu$ mesurées sont mieux décrites par des modèles incorporant ces états que par les prédictions standard de la QCD perturbative.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme le plus puissant briseur de particules au monde. Les scientifiques du détecteur ATLAS du CERN s'amusent constamment à faire s'écraser des protons entre eux pour voir ce qui se produit. Habituellement, lorsqu'ils font s'écraser des protons, ils créent des paires de « quarks top », qui sont les particules élémentaires connues les plus lourdes. Imaginez un quark top comme une boule de bowling très lourde et très éphémère.

Habituellement, lorsque deux de ces boules de bowling lourdes sont créées, elles s'écartent immédiatement. Mais cet article pose une question précise : Que se passe-t-il lorsqu'elles sont créées avec juste assez d'énergie pour à peine rester collées ensemble ?

L'effet « Velcro cosmique »

Les scientifiques observaient un moment très spécifique : juste au « seuil » où l'énergie est suffisante pour qu'un quark top et un anti-quark top (son image miroir) forment un état quasi lié, temporaire.

Dans le langage courant, imaginez deux aimants. Si vous les lancez l'un contre l'autre trop vite, ils rebondissent. Si vous les lancez trop lentement, ils ne se rejoignent pas. Mais si vous les lancez à la vitesse exacte, ils pourraient se coller ensemble pendant une fraction de seconde avant de s'envoler à nouveau. L'article suggère que les quarks top font exactement cela. Ils forment brièvement un « état quasi lié » (une molécule temporaire de deux quarks top) avant de se désintégrer.

Le mystère des données « manquantes »

Pendant longtemps, les modèles informatiques utilisés pour prédire ces collisions (basés sur les règles de la physique standard) ne correspondaient pas tout à fait à ce que les détecteurs observaient.

• La prédiction : Les modèles informatiques indiquaient qu'il devrait y avoir un certain nombre d'événements où les deux particules résultantes (un électron et un muon) ont une masse combinée spécifique (masse invariante).
• La réalité : Les données réelles du détecteur ATLAS montraient un « pic » ou un excès d'événements dans la région de faible masse. C'était comme si l'ordinateur prédisait que 100 voitures passeraient un poste de contrôle, mais que la caméra en voyait réellement 120.

Des études précédentes avaient laissé entrevoir cela, mais cet nouvel article utilise un ensemble de données beaucoup plus vaste (140 fois plus de données que certaines études antérieures) et une méthode plus sophistiquée pour examiner les chiffres.

Le travail d'enquête : tester les modèles

L'équipe a comparé les données réelles à trois « recettes » différentes pour le comportement de ces collisions :

1. La recette standard : Juste les règles de physique habituelles (QCD perturbative).
2. La recette « Velcro » : Les règles standard plus l'idée que les quarks top restent brièvement collés ensemble (états quasi liés).
3. La recette « Résonance » : Une version simplifiée où le collage se produit comme une particule spécifique et éphémère (une résonance pseudo-scalaire).

Le résultat :
La « recette standard » n'a pas réussi à expliquer les données ; elle a manqué le pic. Cependant, les recettes « Velcro » et « Résonance » s'ajustaient parfaitement aux données.

• Lorsqu'ils ont ajouté l'effet de « collage » à leurs modèles, les prédictions correspondaient presque parfaitement aux mesures de l'ATLAS.
• Plus précisément, en examinant la masse de la paire électron-muon, les données ont montré un signal clair indiquant que les quarks top formaient bien ces états liés temporaires.

Le verdict : une découverte « 3-sigma »

L'article affirme que les preuves de ce phénomène de « collage » sont solides. Ils ont calculé la signification statistique et ont constaté qu'elle dépasse trois écarts-types (souvent appelés « 3-sigma »).

Dans le monde de la physique des particules, c'est comme lancer un dé et obtenir un six trois fois de suite par pur hasard : c'est improbable, mais pas impossible. C'est une preuve forte que l'effet « Velcro » est réel, bien que les scientifiques attendent généralement un « 5-sigma » (cinq fois de suite) pour déclarer une découverte complète et officielle.

Résumé

En bref, cet article dit :

• Nous avons fait s'écraser des protons pour créer des quarks top lourds.
• Les données ont montré plus d'événements de faible masse que la physique standard ne le prédisait.
• En ajoutant une règle disant que « les quarks top peuvent brièvement rester collés ensemble comme des aimants », les prédictions ont enfin correspondu à la réalité.
• L'ajustement est si bon que nous sommes très confiants (plus de 99 % sûrs) que cette liaison temporaire se produit réellement, confirmant un comportement subtil et fascinant des particules les plus lourdes de l'univers.

L'article ne discute pas des applications médicales, des technologies futures ou de ce que cela signifie pour l'avenir de l'univers ; il s'agit strictement d'un rapport sur l'observation d'un comportement spécifique et rare de particules dans un collisionneur.

Résumé technique

1. Énoncé du problème

La production de paires de quarks top ($t\bar{t}$) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) sert de sonde critique pour la Chromodynamique Quantique (QCD) aux échelles d'énergie élevées. Des mesures récentes effectuées par ATLAS et CMS ont identifié un excès d'événements à faibles masses invariantes ($m_{t\bar{t}}$) près du seuil de production ($2m_t \approx 345$ GeV) par rapport aux prédictions de la QCD perturbative standard (pQCD).

Cet excès suggère la formation possible d'états quasi-liés (souvent appelés « toponium ») où le quark top et l'antiquark interagissent via la force forte avant de se désintégrer. Des études précédentes (par exemple, la référence [7] dans l'article) ont évoqué ce phénomène mais reposaient sur des enregistrements HEPData dépourvus d'informations complètes sur les corrélations bin-à-bin et utilisaient des jeux de données plus petits (36 fb$^{-1}$). Cet article vise à :

• Étendre l'analyse à l'ensemble du jeu de données Run 2 d'ATLAS (140 fb$^{-1}$).
• Tester rigoureusement l'hypothèse de la formation d'états quasi-liés en utilisant des sections efficaces différentielles normalisées.
• Intégrer les incertitudes expérimentales et théoriques complètes, y compris les corrélations bin-à-bin, afin de fournir une signification statistique robuste pour l'observation.

2. Méthodologie

Données et sélection :

• Jeu de données : Collisions $pp$à$\sqrt{s}=13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$.
• Canal : $t\bar{t} \to e\mu\nu\bar{\nu}b\bar{b}$ (canal dilepton avec électron et muon de charges opposées).
• Région fiduciale : Leptons avec $p_T > 20$ GeV et $|\eta| < 2.5$. Aucune exigence de jet pour l'analyse principale $t\bar{t} \to e\mu$ ; une analyse séparée avec des jets étiquetés $b$ ($e\mu b\bar{b}$) a été réalisée pour comparaison.

Modèles théoriques :
Les distributions mesurées ont été comparées à plusieurs prédictions théoriques :

1. Références pQCD :
   • Powheg + Pythia8 : Élément de matrice NLO apparié à une shower de partons.
   • Powheg + Pythia8 NNLO rew : Recalibré pour correspondre aux prédictions NNLO QCD + NLO EW pour la cinématique du top.
   • Powheg MiNNLO + Pythia8 : QCD NNLO apparié à une shower de partons.
   • Powheg bb4l + Pythia8 : Inclut les contributions $Wt$ et les effets d'interférence pour le canal $e\mu b\bar{b}$.
2. Modèles d'états quasi-liés (ajoutés à la pQCD) :
   • $t\bar{t}$ GFRW : Basé sur la fonction de Green de la QCD non relativiste (NRQCD) dans le gauge de Coulomb. Il s'agit d'un modèle motivé physiquement pour la formation de toponium.
   • Modèle $\eta_t$ : Un modèle de résonance pseudo-scalaire simplifié (masse 343 GeV, largeur 2,8 GeV), précédemment utilisé par CMS.

Analyse statistique :

• Métrique : Une statistique $\chi^2$ a été calculée en comparant les sections efficaces différentielles normalisées mesurées aux prédictions.
• Covariance : L'analyse a explicitement inclus la matrice de covariance complète, tenant compte des incertitudes expérimentales, des incertitudes théoriques (PDF, échelle, masse, rayonnement) et, de manière cruciale, des corrélations bin-à-bin.
• Ajustement : Un paramètre d'intensité de signal $\mu$ a été introduit, où $\mu=1$ correspond à la section efficace théorique de 6,43 pb pour l'état quasi-lié. Des ajustements ont été réalisés pour déterminer le $\mu$ optimal et son incertitude.

Distributions analysées :

• Unidimensionnelles : Masse invariante dilepton ($m_{e\mu}$), différence d'angle azimutal ($\Delta\phi_{e\mu}$), $p_T$ du lepton, etc.
• Bidimensionnelles : $\Delta\phi_{e\mu}$ vs $m_{e\mu}$.

3. Contributions clés

• Traitement complet des corrélations : Contrairement aux études précédentes, cette analyse intègre la matrice de corrélation complète bin-à-bin pour les données et la théorie, améliorant considérablement le rigueur statistique de l'évaluation du $\chi^2$.
• Jeu de données plus large : L'utilisation de l'ensemble du jeu de données Run 2 de 140 fb$^{-1}$ réduit les incertitudes statistiques et améliore la modélisation de l'efficacité des leptons par rapport au jeu de données de 36 fb$^{-1}$ utilisé dans les mesures ATLAS antérieures.
• Approche à double modèle : L'étude teste simultanément une approche rigoureuse de fonction de Green NRQCD ($t\bar{t}$ GFRW) et un modèle de résonance simplifié ($\eta_t$), trouvant des résultats cohérents pour les deux.
• Validation croisée des canaux : L'analyse valide les résultats en utilisant à la fois la sélection inclusive $t\bar{t} \to e\mu$ et la sélection plus contrainte $e\mu b\bar{b}$, garantissant une robustesse face à la modélisation des fonds $Wt$.

4. Résultats

Distributions différentielles :

• Distribution $m_{e\mu}$ : Les modèles pQCD standards (par exemple, Powheg MiNNLO) montrent un déficit significatif dans la région de faible $m_{e\mu}$ ($< 100$ GeV) par rapport aux données. L'ajout de la composante d'état quasi-lié ($t\bar{t}$ GFRW ou $\eta_t$) améliore considérablement la description des données.
  • Pour le modèle Powheg MiNNLO + Pythia8, le $\chi^2$ pour la distribution $m_{e\mu}$ s'améliore de 25,9 à 16,5 (14 degrés de liberté) après l'ajout de l'état quasi-lié.
  • La contribution de l'état quasi-lié ajoute environ 3 % à la section efficace différentielle absolue pour $m_{e\mu} < 30$ GeV.
• Autres distributions : Les améliorations du $\chi^2$ pour $\Delta\phi_{e\mu}$ et les distributions 2D étaient moins prononcées ou négligeables, indiquant que la distribution $m_{e\mu}$ fournit la sensibilité principale aux effets de seuil en raison des contraintes cinématiques à faible masse.

Ajustements d'intensité de signal :

• Les ajustements de la distribution $m_{e\mu}$ pour le canal $t\bar{t} \to e\mu$ ont donné une intensité de signal de :
  $$\mu = 1,22 \pm 0,38$$
  (en utilisant le modèle Powheg MiNNLO + Pythia8 + $t\bar{t}$ GFRW).
• Signification : La valeur ajustée de $\mu$ diffère de zéro de plus de trois écarts-types ($>3\sigma$).
• Section efficace : Cela correspond à une section efficace mesurée d'état quasi-lié de $7,8 \pm 2,4$ pb, ce qui est cohérent avec des études dédiées utilisant des distributions de masse invariante $t\bar{t}$ entièrement reconstruites.
• Cohérence : Les résultats du canal $e\mu b\bar{b}$ étaient cohérents avec le canal inclusif, bien qu'avec des incertitudes plus grandes dues aux systématiques d'étiquetage $b$.

5. Signification

Cet article fournit des preuves de la formation d'états quasi-liés (toponium) près du seuil $t\bar{t}$ avec une signification observée dépassant 3 écarts-types.

• Implication physique : Les résultats soutiennent l'existence d'un état quasi-lié de couleur singulet formé par le quark top et l'antiquark avant leur désintégration. Cela valide l'utilisation de descriptions QCD non relativistes (NRQCD) dans la région du seuil, un régime où les développements perturbatifs standards peuvent être insuffisants.
• Validation du modèle : Les données sont décrites de manière significativement meilleure par des modèles intégrant ces effets d'états liés que par des prédictions pQCD pures, résolvant des écarts de longue date dans la région de faible masse invariante de la production de paires de quarks top.
• Impact futur : La méthodologie et les résultats établissent une nouvelle norme pour la physique de précision du quark top, démontrant la nécessité d'inclure la resommation de seuil et les effets d'états liés dans les générateurs d'événements pour les futures analyses du LHC à haute luminosité. La section efficace mesurée s'aligne sur les attentes théoriques pour la formation de toponium, ouvrant de nouvelles voies pour l'étude de l'interaction forte dans le secteur du quark le plus lourd.