Review of flavour physics at ATLAS and CMS

Cet article présente une revue complète des résultats récents en physique des saveurs issus des expériences ATLAS et CMS, utilisant les données du Run 2 et d'une partie du Run 3 du LHC, couvrant les mesures des quarkonia, de la production de charme, des propriétés des mésons B, des tétraquarks tout-charme et des désintégrations rares à saveur lourde, afin de faire progresser la frontière de précision dans ce domaine.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme une piste de course géante et ultra-rapide pour particules, où de minuscules particules subatomiques entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Les expériences ATLAS et CMS sont comme deux caméras géantes et ultra-sensibles positionnées autour de cette piste, capturant des milliards de photos pour observer ce qui se produit lorsque ces particules entrent en collision.

Ce document est une « revue d'album photo » provenant de ces deux caméras, se concentrant spécifiquement sur un groupe spécial de particules appelé particules à saveur lourde. Imaginez-les comme les « poids lourds » du monde des particules — des particules composées de quarks lourds (comme le quark bottom et le quark charme) qui sont beaucoup plus massives que celles constituant les atomes de votre corps.

Voici une décomposition de ce que les scientifiques ont découvert, expliquée simplement :

1. Peser les Poids Lourds (Sections efficaces de production)

Les scientifiques voulaient savoir à quelle fréquence ces particules lourdes sont créées et comment elles se comportent.

• La Famille « Bottomonium » : Ils ont examiné une famille de particules appelée $\Upsilon$ (Upsilon), qui sont comme des paires liées et lourdes de quarks bottom. Pour la première fois, ils ont mesuré la fréquence à laquelle elles apparaissent à un niveau d'énergie record (13,6 TeV). C'est comme vérifier combien de camions lourds sont produits sur une chaîne de montage lorsque l'on porte la machine à sa puissance maximale. Ils ont constaté que les chiffres correspondaient très bien aux « plans » prédits par la physique quantique (QCD).
• Les Messagers « Charme » : Ils ont également suivi des particules contenant des quarks « charme ». Ils ont mesuré la répartition de ces particules à travers le détecteur (comme de la pluie tombant sous différents angles). Les résultats correspondaient aux modèles théoriques, confirmant notre compréhension de la formation de ces particules.

2. Chronométrer les Horloges qui Tictaquent (Vies moyennes et Masses)

• Le Chronomètre $B^0$ : Une particule spécifique, le méson $B^0$, est connue pour vivre une infime fraction de seconde avant de se désintégrer. L'expérience ATLAS a mesuré cette « durée de vie » avec une précision incroyable — plus précise que toute mesure précédente. C'est comme chronométrer un sprinter avec une telle précision que l'on peut voir la différence dans sa foulée jusqu'au millimètre.
• État « Excité » vs État « Fondamental » : Ils ont également examiné des versions « excitées » des mésons B (des particules vibrantes avec une énergie supplémentaire) et ont mesuré la minuscule différence de masse entre ces états excités et leurs états calmes, dits « fondamentaux ». C'est comme mesurer la minuscule différence de poids entre une corde de guitare calme et une autre qui vibre fort.

3. Chasser les Agrégats Exotiques « Quatre-Quarks »

Pendant longtemps, nous avons pensé que les particules étaient composées soit de deux quarks (comme un couple), soit de trois quarks (comme un trio). Mais récemment, les physiciens ont commencé à rechercher des « tétraquarks » — des particules composées de quatre quarks collés ensemble.

• Le Mystère « Tout-Charme » : Les scientifiques ont recherché un type spécifique de tétraquark composé entièrement de quatre quarks charme. Ils les ont cherchés en observant leur désintégration en paires de particules « J/$\psi$ ».
• Les Résultats : Ils ont trouvé des preuves solides de trois nouvelles « résonances » (amas de particules) à des niveaux d'énergie spécifiques (6,6, 6,9 et 7,1 GeV). C'est comme entendre un accord spécifique joué sur un piano et réaliser qu'il y a trois nouvelles notes, auparavant inconnues, qui sont jouées. Les données suggèrent qu'il s'agit bien d'agrégats à quatre quarks, une forme de matière rare et exotique.

4. Chercher des Désintégrations « Fantômes » (Événements Rares)

La dernière section du document porte sur la recherche d'événements « interdits » ou extrêmement rares qui ne devraient pas se produire selon nos règles actuelles (le Modèle Standard). Les trouver serait comme voir un fantôme : cela signifierait que les règles de la physique doivent être réécrites.

• Violation de la Saveur Leptonique : Ils ont recherché la transformation d'une particule tau en trois muons ($\tau \to 3\mu$). C'est comme regarder un chat se transformer soudainement en trois souris. Ils n'en ont trouvé aucun, ce qui est une bonne nouvelle pour les règles actuelles, mais ils ont établi des limites strictes sur la fréquence à laquelle cela pourrait se produire.
• La Recherche « Quatre-Muons » : Ils ont également recherché la désintégration de mésons B en quatre muons. Ils ont amélioré la sensibilité de cette recherche, rendant plus difficile la dissimulation de ces événements rares.
• La Tension $B_s \to \phi \mu\mu$ : Ils ont étudié une désintégration spécifique où un méson B se transforme en une particule phi et deux muons. Bien que les résultats soient globalement en accord avec la théorie, il existe une légère « tension » (un léger désaccord) allant jusqu'à 4,2 écarts-types. Imaginez cela comme un léger tremblement dans les données qui pourrait indiquer une nouvelle physique, mais qui n'est pas encore assez fort pour déclarer une découverte.

La Conclusion

Les expériences ATLAS et CMS prouvent qu'elles ne sont pas seulement excellentes pour découvrir le boson de Higgs ; elles deviennent également des détectives de classe mondiale pour la physique des saveurs lourdes. En utilisant leurs détecteurs massifs et leurs déclencheurs ingénieux (qui agissent comme des filtres intelligents pour capturer les événements rares), elles mesurent les propriétés des particules avec une précision record et chassent l'exotique et le rare.

Bien qu'elles n'aient pas encore trouvé de « preuve irréfutable » d'une nouvelle physique, elles ont resserré les vis de nos théories actuelles, rendant la recherche de ce qui se cache au-delà encore plus excitante.

Résumé technique

Résumé technique : Examen de la physique des saveurs au LHC par ATLAS et CMS

Problème et contexte
La physique des saveurs constitue un domaine critique pour tester le Modèle Standard (MS) avec une grande précision et sonder une éventuelle nouvelle physique. Bien que des expériences dédiées à la physique des saveurs aient historiquement dominé ce champ, les détecteurs à usage général ATLAS et CMS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) se sont imposés comme des installations compétitives. En tirant parti de leur couverture quasi complète en angle solide, de leurs performances excellentes en vertexing et de leurs capacités supérieures de reconstruction des muons, ces expériences complètent les efforts dédiés. Cet article passe en revue les résultats récents en physique des saveurs obtenus par ATLAS et CMS à l'aide de données de collisions proton-proton issues de la prise de données Run 2 et d'une partie de la Run 3 du LHC. Les analyses ciblent spécifiquement les désintégrations de saveurs lourdes, en utilisant des déclencheurs exigeant au moins deux muons dans l'événement pour améliorer l'acceptation des processus à basse énergie.

Méthodologie
La revue englobe un ensemble diversifié d'analyses employant des mesures différentielles, des déterminations de durée de vie et des recherches de résonances :

• Mesures de sections efficaces : CMS a mesuré les sections efficaces de production des états $\Upsilon(nS)$ ($n=1,2,3$) à une énergie dans le centre de masse de 13,6 TeV en utilisant 37,4 fb$^{-1}$ de données de la Run 3. Ces mesures sont différentielles en impulsion transverse ($p_T$) jusqu'à 200 GeV. ATLAS a mesuré les sections efficaces des mésons $D^\pm$ et $D^\pm_s$ en utilisant 137 fb$^{-1}$ de données de la Run 2, étendant la portée en $p_T$ jusqu'à 100 GeV via le canal de désintégration $D \to \phi(\mu^+\mu^-)\pi^\pm$.
• Durée de vie et séparation de masse : ATLAS a déterminé la durée de vie du méson $B^0$ ($\tau(B^0)$) en utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de la Run 2. CMS a réalisé la première reconstruction exclusive des mésons $B^*$ excités ($B^{*+}, B^{*0}, B^{*0}_s$) en utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de la Run 2, reconstruisant les photons via conversion ($\gamma \to e^+e^-$) pour mesurer les séparations de masse hyperfines.
• Recherches d'états exotiques : Les deux collaborations ont recherché des tétraquarks tout-charm dans les spectres de masse double-charmonium ($J/\psi J/\psi$ et $J/\psi \psi(2S)$). CMS a utilisé des données combinées de la Run 2 (135 fb$^{-1}$) et de la Run 3 (180 fb$^{-1}$), tandis qu'ATLAS a utilisé 140 fb$^{-1}$ de données de la Run 2, incorporant pour la première fois dans ce canal le mode de désintégration $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$.
• Études de désintégrations rares : Des recherches de désintégrations violant la saveur des leptons ($\tau \to 3\mu$) ont été menées par les deux expériences. CMS a également fait état de la première observation de $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ et de recherches pour $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$. De plus, CMS a effectué une mesure différentielle de la désintégration rare $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ en utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de la Run 2, en normalisant par rapport à $B^0_s \to \phi J/\psi(\mu^+\mu^-)$.

Contributions et résultats clés

• Production de saveurs lourdes : Les sections efficaces différentielles pour la production de $\Upsilon(nS)$ à 13,6 TeV s'accordent bien avec les prédictions théoriques de la QCD non relativiste (NRQCD). De même, les mesures ATLAS des sections efficaces de $D^\pm_s$ jusqu'à $p_T = 100$ GeV sont cohérentes avec les prédictions du schéma à nombre de saveurs variable à masse générale (GM-VFNS).
• Paramètres de précision : La mesure ATLAS de la durée de vie du $B^0$ donne $\tau(B^0) = 1,5053 \pm 0,0012 \text{ (stat)} \pm 0,0035 \text{ (syst)}$ ps, représentant la mesure la plus précise à ce jour. Les mesures CMS des séparations hyperfines ($m(B^*) - m(B)$) ont atteint une précision d'un ordre de grandeur supérieure aux résultats précédents.
• Tétraquarks tout-charm : CMS a observé trois résonances dans le spectre $J/\psi J/\psi$ — $X(6600)$, $X(6900)$ et $X(7100)$ — avec des significations dépassant $5\sigma$. La $X(6900)$ a également été observée dans le spectre $J/\psi \psi(2S)$. Les analyses angulaires suggèrent que ces états sont compatibles avec des tétraquarks tout-charm ayant $J^{PC} = 2^{++}$. ATLAS a confirmé la résonance $X(6900)$ mais n'a rapporté aucune structure significative à 7,1 GeV.
• Désintégrations rares : Aucun excès significatif n'a été trouvé dans les recherches pour $\tau \to 3\mu$, conduisant à des limites supérieures au niveau de confiance de 90 % sur la fraction d'embranchement de $B(\tau \to 3\mu) < 8,7 \times 10^{-8}$ (ATLAS) et $6,7 \times 10^{-8}$ (CMS). CMS a observé la désintégration $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ et a amélioré les limites sur $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ d'environ 30 %.
• Analyse $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ : La section efficace différentielle pour cette désintégration, mesurée par bins de $q^2$, s'accorde bien avec les mesures récentes de LHCb. Cependant, les comparaisons avec diverses prédictions théoriques révèlent des tensions allant jusqu'à $4,2\sigma$. La fraction de polarisation longitudinale ($F_L$) du méson $\phi$ s'est avérée en bon accord avec les attentes théoriques.

Signification
L'article affirme qu'ATLAS et CMS se sont successfully imposés comme des installations compétitives pour la physique des saveurs lourdes, fournissant des mesures complémentaires à celles des expériences dédiées à la physique des saveurs. Les résultats démontrent la capacité de ces détecteurs à usage général à repousser la frontière de la précision en physique des saveurs grâce à des stratégies de déclenchement avancées et des techniques de reconstruction. Les observations de tétraquarks tout-charm et les mesures précises des propriétés des saveurs lourdes contribuent de manière significative à la caractérisation de la dynamique de la QCD et à la recherche de physique au-delà du Modèle Standard. L'analyse en cours des données de la Run 3 devrait renforcer davantage le programme de physique des saveurs des deux collaborations.