Measurement of inclusive and differential cross-sections in $pp$ collisions at with the ATLAS detector
En utilisant 140 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cet article présente la première mesure des sections efficaces inclusives et différentielles pour le processus dans le canal trilepton, trouvant des résultats cohérents avec les prédictions du Modèle Standard et établissant des contraintes sur les opérateurs de la théorie du champ effectif de dimension 6.
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Dans les vastes collisions à haute énergie se produisant au plus profond du Grand Collisionneur de Hadrons, les physiciens recherchent constamment les événements les plus rares et les plus insaisissables. Parmi les plus fascinants figurent les processus impliquant le quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue, qui n'existe que pendant une fraction de seconde avant de se désintégrer en d'autres particules. Parfois, ce quark top est produit seul, plutôt qu'en paires, et dans un type spécifique d'interaction appelée canal t, il est accompagné d'un boson Z, une particule qui transporte la force nucléaire faible. Cette combinaison spécifique, un quark top unique et un boson Z, est une occurrence rare qui sert de sonde sensible pour les règles fondamentales régissant la manière dont la matière interagit. Parce que ce processus se produit purement via la force faible, il offre un laboratoire propre pour tester le Modèle Standard, la théorie prédominante de la physique des particules, et pour chercher tout signe subtil d'une nouvelle physique qui pourrait se situer au-delà de notre compréhension actuelle.
Un chercheur utilisant le détecteur ATLAS vient de réaliser la mesure la plus précise à ce jour de cet événement rare. En analysant un ensemble massif de données de collisions proton-proton enregistrées entre 2015 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de 140 femtobarns, ils ont pu isoler et compter ces interactions spécifiques. Le défi était immense, car le signal recherché était enfoui sous une mer d'événements de fond plus communs. Pour le trouver, ils se sont concentrés sur une signature spécifique : des événements où la collision a produit trois leptons légers (électrons ou muons) et plusieurs jets de particules, avec au moins un jet provenant d'un quark de fond (bottom). Cette combinaison unique de trois particules chargées et de motifs de jets spécifiques a permis de filtrer le bruit et d'identifier la production rare par canal t d'un quark top et d'un boson Z.
Le chercheur a mesuré le taux auquel ces événements se produisent, appelé section efficace, et a trouvé qu'elle était de 95,2 femtobarns. Ce résultat, qui inclut les incertitudes statistiques et systématiques, s'aligne parfaitement avec les prédictions les plus avancées du Modèle Standard. La mesure était suffisamment précise pour séparer la production de quarks top de la production de leurs contreparties d'antimatière, les antiquarks top, et pour déterminer le rapport entre les deux. Ce rapport est particulièrement important car il dépend de la structure interne du proton, spécifiquement de la distribution des quarks à l'intérieur de celui-ci. Le rapport mesuré a été trouvé cohérent avec les attentes théoriques, fournissant une confirmation supplémentaire que notre compréhension de la façon dont les protons sont construits est correcte.
Au-delà de la simple comptabilisation des événements, ils ont examiné la cinématique détaillée de la collision pour voir comment les particules se déplacent et interagissent. Ils ont mesuré comment l'énergie et la direction des particules varient, créant une carte détaillée du processus tant au niveau des particules brutes qu'au niveau des particules stables qui atteignent le détecteur. Ces mesures différentielles permettent aux physiciens de tester la théorie sous différentes conditions, comme lorsque les particules sont produites avec une énergie très élevée. Les données correspondaient aux prédictions théoriques à travers toutes ces différentes variables, ne montrant aucune déviation significative qui pourrait suggérer de nouvelles forces ou particules.
L'étude a également exploré les propriétés de spin du quark top, une caractéristique quantique qui décrit la façon dont la particule tourne. En analysant les angles sous lesquels les produits de désintégration sont émis, ils ont calculé une valeur d'asymétrie de spin de 0,34. Ce nombre, qui décrit une préférence pour le quark top à être produit avec une orientation spécifique, a été jugé en bon accord avec la prédiction du Modèle Standard. Ce résultat confirme que les mécanismes produisant ces particules lourdes se comportent exactement comme la théorie actuelle le dicte, même lorsqu'ils sont soumis à l'examen intense d'une mesure de haute précision.
Enfin, ils ont utilisé leurs découvertes pour contraindre la Théorie de l'Électrofaible Effective du Modèle Standard, un cadre utilisé pour rechercher une nouvelle physique en observant de petites déviations dans la manière dont les particules interagissent. Ils ont examiné neuf paramètres différents qui pourraient potentiellement altérer le comportement du quark top et du boson Z. L'analyse n'a révélé aucune preuve de telles déviations, imposant des limites strictes sur l'influence possible de ces effets hypothétiques. Les résultats confirment que, dans la précision de cette expérience, le comportement du quark top et du boson Z est entièrement cohérent avec les lois établies de la physique. Cette étude exhaustive non seulement affine notre connaissance d'un processus rare, mais établit également une nouvelle référence pour les recherches futures de la physique au-delà du Modèle Standard.
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