Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at = 13 TeV
En utilisant 138 fb de données de collisions proton-proton à = 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cette étude présente la première recherche globale et simultanée des courants neutres à changement de saveur du quark top dans le cadre de la théorie effective du modèle standard, établissant les limites les plus strictes à ce jour sur les coefficients de Wilson pertinents et les fractions de branchement de désintégration sans observer de preuve de tels processus.
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Dans l'univers de la physique subatomique, il existe un ensemble de règles connues sous le nom de Modèle Standard qui décrit la manière dont les plus petits constituants de la matière interagissent. Pendant des décennies, ce modèle s'est révélé remarquablement fructueux, pourtant il laisse certaines questions sans réponse. L'un des mystères les plus persistants concerne le quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue. Selon le Modèle Standard, un quark top ne devrait presque jamais changer d'identité pour devenir un quark plus léger, tel qu'un quark up ou un quark charm, sans échanger de partenaire avec une particule chargée. Cette restriction est si stricte que l'on prédit qu'un tel événement se produirait si rarement qu'il est pratiquement impossible à observer. Cependant, de nombreux physiciens soupçonnent que cette règle pourrait être transgressée par de nouvelles forces ou de nouvelles particules encore non découvertes qui existeraient au-delà de notre compréhension actuelle. Si un quark top était un jour vu en train de changer de saveur sans échange de charge, ce serait le signe clair que le Modèle Standard est incomplet et que une nouvelle physique attend d'être découverte.
Une équipe de scientifiques travaillant avec le détecteur CMS au Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse vient de mener la recherche la plus exhaustive à ce jour pour ces événements rares. Ils ont analysé une collection massive de données issues de collisions proton-proton, représentant une exposition totale de 138 femtobarns inverses, ce qui correspond à la quantité de données collectées sur plusieurs années de fonctionnement à un niveau d'énergie de 13 téra-électronvolts. Au lieu de chercher un seul type spécifique de nouvelle interaction, les chercheurs ont jeté un large filet en utilisant un cadre appelé Théorie de l'Énergie Effective du Modèle Standard. Cette approche leur permet de tester un vaste nombre de nouvelles interactions possibles simultanément, en les traitant comme de petits ajustements aux lois connues de la physique plutôt qu'en supposant l'existence d'une seule nouvelle particule. Ils ont concentré leur recherche sur une signature spécifique et exigeante : des collisions produisant trois particules chargées ou plus, connues sous le nom de leptons, qui incluent les électrons et les muons, portant souvent la même charge électrique.
Les chercheurs ont passé au crible des milliards d'événements de collision pour trouver les quelques-uns qui correspondaient à leurs critères. Ils cherchaient un motif très spécifique où un quark top aurait pu interagir avec un boson, tel qu'un boson de Higgs ou de Z, ou directement avec une paire de leptons, provoquant sa désintégration de manière inhabituelle. Pour distinguer ces signaux rares du bruit de fond écrasant des collisions ordinaires, l'équipe a utilisé des algorithmes informatiques sophistiqués entraînés à reconnaître les différences subtiles dans l'énergie et la direction des particules produites. Ils ont organisé les données en différentes catégories basées sur le nombre de jets, qui sont des jets de particules créés par des quarks, et le nombre de jets identifiés avec un marquage b (b-tagged), qui sont des jets identifiés comme provenant probablement d'un quark bottom. Ce tri minutieux a permis d'isoler les régions où un nouveau signal serait le plus visible.
Après avoir effectué leur analyse, les scientifiques n'ont trouvé aucune preuve des courants neutres à changement de saveur qu'ils traquaient. Les données correspondaient parfaitement aux prédictions du Modèle Standard, sans déviations significatives qui suggéreraient une nouvelle physique. Ce résultat est important car il impose les limites les plus strictes jamais établies sur la fréquence à laquelle un quark top peut changer de saveur à travers ces interactions spécifiques. En testant vingt-quatre paramètres théoriques différents simultanément, l'équipe a établi un nouveau point de référence mondial pour les expériences futures. Bien qu'ils n'aient pas trouvé les nouvelles particules qu'ils espéraient, leur travail permet d'exclure de fait un large éventail de possibilités sur la manière dont une nouvelle physique pourrait se manifester dans le secteur du quark top. L'étude confirme que, dans la précision de leurs mesures, le quark top se comporte exactement comme le prédit le Modèle Standard, fermant ainsi la porte à de nombreuses théories qui suggéraient le contraire.
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