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Measurement of the $\gamma\gamma \to \tau \tau$ cross section and constraints on the anomalous magnetic moment of the $\tau$ lepton in ultraperipheral PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV

En utilisant 1,70 nb $^{-1}$ de données CMS de 2018 issues de collisions PbPb ultra-périphériques à 5,02 TeV, cette étude présente la mesure la plus précise par le LHC de la section efficace fiducielle de $\gamma\gamma \to \tau\tau$ et établit les contraintes les plus strictes à ce jour sur le moment magnétique anomal du lepton $\tau$ , trouvant des résultats cohérents avec les prédictions de l'Électrodynamique Quantique au niveau suivant (NLO).

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-07-23

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

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La salle de billard cosmique et le vacillement du Tau

Imaginez l'univers comme une immense salle de billard invisible où les plus petites particules existantes sont les billes. Dans cette salle, les scientifiques sont obsédés par la compréhension de la façon dont ces billes tournent et vacillent lorsqu'elles se déplacent. L'une des règles les plus importantes du jeu est la manière dont le « moment magnétique » d'une particule fonctionne — essentiellement, la force avec laquelle elle agit comme un minuscule aimant. Pour les particules les plus légères, comme l'électron, nous connaissons cette règle presque parfaitement. Mais pour le plus lourd des trois membres de la famille des « leptons » chargés, le tau, les choses sont plus floues. Parce que le tau est très lourd, il devrait être beaucoup plus sensible aux forces cachées et inconnues qui pourraient rôder dans l'univers, révélant potentiellement une nouvelle physique au-delà de ce que nous connaissons actuellement.

Le problème est que le tau est incroyablement timide et éphémère. Il n'existe que pendant un instant fugace avant de se désintégrer en d'autres particules, ce qui rend impossible de le capturer et de l'étudier directement dans un anneau de stockage comme le muon. Pour l'étudier, les physiciens doivent faire preuve d'ingéniosité. Ils utilisent une technique de « collisions ultra-périphériques », ce qui revient à faire rouler deux énormes boules de bowling chargées (des noyaux de plomb) l'une à côté de l'autre sans qu'elles ne se percutent réellement. En passant l'une à côté de l'autre, leurs champs électriques intenses agissent comme des lampes de poche, projetant des faisceaux de lumière (des photons). Lorsque deux de ces faisceaux de lumière entrent en collision, ils peuvent brièvement se transformer en une paire de particules tau. C'est un événement rare et fantomatique où la lumière devient matière, et en observant comment les paires de tau se comportent, les scientifiques peuvent mesurer leur vacillement magnétique et voir s'il correspond aux prédictions de notre manuel de règles actuel, le Modèle Standard.

L'expérience CMS : Capturer des fantômes dans le plomb

Dans cette nouvelle étude, la collaboration CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a décidé d'examiner de plus près ces paires de tau fantomatiques. Ils ont analysé des données collectées en 2018 lors de collisions plomb-plomb, un ensemble de données équivalent à observer 1,70 milliardième de milliard de barns d'interactions (une unité de surface utilisée en physique nucléaire, connue sous le nom de 1,70 nb⁻¹). L'équipe n'a pas seulement cherché un type de désintégration de tau ; elle a jeté un filet très large, examinant quatre façons différentes dont les paires de tau pourraient se briser : un muon plus une seule trace chargée, un muon plus trois traces, un électron plus trois traces, et un mélange d'un muon et d'un électron.

Pour trouver le signal, les scientifiques ont dû filtrer le bruit. Ils ont recherché des événements où les ions de plomb ont survécu à la rencontre et se sont envolés sans se briser, laissant le détecteur presque vide, à l'exception des produits de désintégration spécifiques de la paire de tau. Ils ont utilisé une méthode statistique sophistiquée, un « ajustement de vraisemblance simultané », qui agissait comme un maître détective. Cet outil ne se contentait pas de compter le nombre de paires de tau trouvées ; il analysait la forme exacte de leurs distributions d'énergie et le nombre total de particules trouvées. En comparant les données réelles à des millions de simulations informatiques, ils ont pu déterminer la valeur la plus probable pour le moment magnétique anomal du tau, noté $a_\tau$ .

Les résultats : Un filet plus serré et une image plus claire

Les résultats de cet effort massif sont doubles. Premièrement, l'équipe a mesuré la probabilité de cette conversion de la lumière en matière, appelée la section efficace. Ils ont trouvé que pour les leptons tau ayant une impulsion transverse supérieure à 1 GeV et dans une plage d'angles spécifique, la section efficace est de $555^{+60}_{-14} \mu b$ . Il s'agit de la mesure la plus précise de ce processus à l'LHC à ce jour, et elle s'aligne parfaitement avec les prédictions de l'électrodynamique quantique (QED) de l'ordre suivant, la théorie décrivant comment la lumière et la matière interagissent.

Deuxièmement, et c'est peut-être plus excitant encore, est la contrainte imposée sur le vacillement magnétique du tau. L'analyse a produit un intervalle de confiance à 95 % pour le moment magnétique anomal du lepton tau : $-0,039 < a_\tau < 0,032$ . Cela signifie que si le moment magnétique du tau dévie de la prédiction du Modèle Standard, il doit se situer dans cette plage étroite. Cette nouvelle limite est plus de trois fois plus précise que la meilleure mesure précédente de la même expérience. Bien qu'elle ne prouve pas encore l'existence d'une nouvelle physique, elle réduit considérablement la zone de recherche, nous rapprochant du niveau de précision nécessaire pour potentiellement repérer la première fissure dans notre compréhension actuelle de l'univers. L'étude confirme que, pour l'instant, le tau se comporte exactement comme le prédit le Modèle Standard, mais la fenêtre pour découvrir quelque chose de nouveau devient plus petite et plus définie.

Résumé technique : Mesure de la section efficace $\gamma\gamma \to \tau^+\tau^-$ et contraintes sur le moment magnétique anomal du lepton $\tau$ dans les collisions PbPb ultrapériphériques

Problème et motivation
Les moments magnétiques des leptons chargés constituent des tests rigoureux du Modèle Standard (SM) et de la théorie quantique des champs. Alors que le moment magnétique anomal de l'électron ( $a_e$ ) concorde avec les prédictions du SM à moins d'une partie par milliard, et que celui du muon ( $a_\mu$ ) présente des tensions avec certaines calculs théoriques, le lepton tau ( $\tau$ ) reste moins contraint. En raison de la courte durée de vie du tau, les mesures directes dans les anneaux de stockage sont impossibles. Par conséquent, les contraintes sur le moment magnétique anomal du tau ( $a_\tau$ ) sont principalement dérivées de la production par fusion de photons ( $\gamma\gamma \to \tau^+\tau^-$ ) dans les collisions à haute énergie. Les mesures précédentes, incluant celles du LEP et des premières campagnes du LHC, ont laissé les contraintes sur $a_\tau$ environ trois fois moins précises que ce qui est requis pour sonder la prédiction du SM ( $a_\tau^{SM} \approx 0,001177$ ). Cet article répond au besoin d'améliorer la précision en analysant un ensemble de données plus large et en incorporant plusieurs canaux de désintégration dans les collisions ultrapériphériques d'ions de plomb.

Méthodologie
L'analyse utilise les données collectées par l'expérience CMS en 2018 lors de collisions de plomb-plomb (PbPb) ultrapériphériques à une énergie centre de masse nucléon-nucléon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de $1,70 \text{ nb}^{-1}$ . L'étude se concentre sur la production exclusive de paires de taus, $PbPb \xrightarrow{\gamma\gamma} Pb^{(*)} \tau^+\tau^- Pb^{(*)}$ , où les ions de plomb restent intacts ou sont électromagnétiquement excités mais s'échappent sans être détectés à de petits angles.

Canaux de signal : L'analyse étend les travaux précédents en examinant quatre états de désintégration distincts de $\tau^+\tau^-$ :
1. $\mu + 1\text{-prong}$ (un muon, un hadron chargé) : Fraction de branchement la plus élevée ( $\approx 17,4 \%$ ) mais bruit de fond plus important.
2. $\mu + 3\text{-prong}$ (un muon, trois hadrons chargés) : Bénéficie d'une excellente identification des muons et d'une suppression efficace du bruit de fond.
3. $\mu + e$ (un muon, un électron) : Contamination par le bruit de fond la plus faible mais rendement inférieur dû aux seuils de déclenchement (triggers).
4. $e + 3\text{-prong}$ (un électron, trois hadrons chargés) : Inclus malgré des rendements inférieurs par rapport aux canaux muoniques.
  Le canal $e + 1\text{-prong}$ a été exclu en raison d'une contamination substantielle par le bruit de fond.
Sélection et reconstruction des événements : Les événements sont sélectionnés à l'aide d'une combinaison de déclencheurs (triggers) de muon unique et d'électron avec des seuils de quantité de mouvement transverse ( $p_T$ ) spécifiques. La sélection hors ligne exige exactement le nombre de traces attendu pour chaque mode de désintégration, une qualité de trace « haute pureté » stricte, et des critères d'exclusivité (par exemple, aucune activité supplémentaire dans les calorimètres de hadrons frontaux (HF) ou les calorimètres de degré zéro (ZDC) pour supprimer les bruits de fond non exclusifs). Un discriminant clé est l'acoplanarité ( $A_{\phi}$ ) entre les produits de désintégration, qui distingue le signal (caractérisé par une acoplanarité plus grande due aux neutrinos) des bruits de fond de dileptons exclusifs comme $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-\gamma$ .
Simulation et estimation du bruit de fond : Les événements de signal sont simulés à l'aide des générateurs gamma-UPC et UPCGEN, incorporant des variations de $a_\tau$ de $-0,1 $à$ +0,1$. Les bruits de fond provenant de $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-\gamma$ et $\gamma\gamma \to e^+e^-$ sont estimés via simulation, tandis que les bruits de fond résiduels sont dérivés des données à l'aide de la méthode « ABCD » dans des régions de contrôle définies par la multiplicité des traces et l'activité HF.
Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance simultané par bacs (binned likelihood fit) est effectué sur les distributions de quantité de mouvement transverse ( $p_T$ ) des leptons de désintégration à travers les quatre canaux. Cet ajustement extrait simultanément la section efficace fiduciaire ( $\sigma_{\text{fid}}$ ) et le moment magnétique anomal ( $a_\tau$ ), en incorporant les incertitudes systématiques comme paramètres de nuisance.

Principales contributions

Jeu de données et canaux élargis : Cette analyse augmente la luminosité intégrée d'un facteur plus de quatre par rapport à la première observation CMS de ce processus et inclut trois canaux de désintégration additionnels ( $\mu+1\text{-prong}$ , $\mu+e$ , $e+3\text{-prong}$ ) aux côtés du mode précédemment étudié $\mu+3\text{-prong}$ .
Stratégie d'ajustement simultané : L'article introduit un ajustement de vraisemblance simultané qui combine les informations de forme spectrale et de normalisation de tous les quatre canaux, améliorant ainsi la précision de l'extraction des paramètres.
Contraintes améliorées : L'analyse parvient à une amélioration significative de la précision de la contrainte sur $a_\tau$ par rapport aux précédents résultats CMS en PbPb.

Résultats

Moment magnétique anomal ( $a_\tau$ ) : L'intervalle de confiance (CL) à 95 % mesuré pour le moment magnétique anomal est :
$-0,039 < a_\tau < 0,032$
Ce résultat est cohérent avec la prédiction du SM et représente une sensibilité comparable aux contraintes existantes issues des collisions électron-positron au LEP, améliorant la mesure précédente de CMS en PbPb d'un facteur plus de trois. La limite est dérivée de la région de faible masse ( $m_{\tau\tau} \gtrsim 5$ GeV).
Section efficace fiduciaire : La section efficace fiduciaire pour les leptons $\tau$ avec $p_T^\tau > 1$ GeV et $|\eta^\tau| < 3$ est :
$\sigma_{\text{fid}}^{\gamma\gamma \to \tau\tau} = 555^{+60}_{-14} \, \mu\text{b}$
(lorsque $a_\tau$ est laissé libre dans l'ajustement). Lorsque $a_\tau$ est fixé à sa valeur du SM, la section efficace est de $589^{+43}_{-40} \, \mu\text{b}$ . Cette mesure est la plus précise pour ce processus à ce jour au LHC.
Accord théorique : La section efficace mesurée est en accord avec les prédictions de la théorie de l'électrodynamique quantique (QED) au niveau suivant (NLO) ( $\sigma_{\text{NLO}} = 570 \pm 3 \, \mu\text{b}$ ) et au niveau de l'ordre dominant (LO) ( $\sigma_{\text{LO}} = 568 \pm 3 \, \mu\text{b}$ ).

Signification
L'article affirme que cette mesure étend l'utilité des collisions PbPb au-delà des sujets traditionnels de la physique des ions lourds, permettant l'étude de processus QED dans des conditions expérimentales aussi propres que celles des collisions $e^+e^-$ . En fournissant la mesure la plus précise de la section efficace $\gamma\gamma \to \tau^+\tau^-$ au LHC et en resserrant les contraintes sur $a_\tau$ , ce travail démontre la capacité des collisions ultrapériphériques d'ions lourds à sonder les propriétés électromagnétiques fondamentales du lepton tau. Les résultats sont cohérents avec le Modèle Standard et fournissent une base robuste pour les futures recherches de contributions de la nouvelle physique au moment magnétique du tau.

La salle de billard cosmique et le vacillement du Tau

L'expérience CMS : Capturer des fantômes dans le plomb

Les résultats : Un filet plus serré et une image plus claire

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