Measurement of the element of the CKM matrix using events in pp collisions at = 13 TeV
En utilisant 138 fb de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par l'expérience CMS, cet article présente une mesure de l'élément de la matrice CKM dérivée de la fraction de branchement de la désintégration rare dans des événements de paires de quarks top, donnant une valeur de qui offre une détermination complémentaire et indépendante de la QCD non perturbative à l'échelle électrofaible.
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par l'auteur. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
L'univers est construit à partir d'une poignée de particules fondamentales qui interagissent par le biais de forces, mais les règles régissant la manière dont ces particules se transforment d'un type à un autre sont inscrites dans un tableau mathématique spécifique connu sous le nom de matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Ce tableau agit comme un livre de règles pour la force nucléaire faible, dictant la probabilité qu'un quark lourd se transforme en un quark plus léger. Une entrée de ce tableau, représentant la transformation d'un quark bottom en un quark charm, est depuis longtemps une source d'examen intense. Les physiciens ont mesuré cette valeur en utilisant deux méthodes différentes : l'une en observant la désintégration de particules lourdes d'une manière qui nécessite des calculs théoriques complexes pour être interprétée, et l'autre en observant des désintégrations similaires qui reposent sur des calculs différents. Pendant des années, ces deux méthodes ont divergé d'une marge qui suggère que quelque chose pourrait manquer à notre compréhension actuelle de la physique. Pour résoudre cette tension, les scientifiques avaient besoin d'une troisième façon de mesurer cette valeur, qui ne dépendait pas des mêmes calculs compliqués ayant causé le désaccord en premier lieu.
Des chercheurs du Grand Collisionneur de Hadrons ont maintenant fourni cette mesure indépendante en observant la désintégration des quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes connues. Lorsque deux protons entrent en collision à des vitesses élevées, ils produisent occasionnellement une paire de quarks top. Ces particules sont si instables qu'elles disparaissent presque instantanément, se transformant en un boson W et un quark bottom. Le boson W se désintègre ensuite davantage, se transformant parfois en une paire de quarks. Dans la vaste majorité des cas, le boson W se désintègre en la paire de quarks la plus commune, mais très rarement, il se désintègre en un quark bottom et un quark charm. Cet événement rare est la clé de la mesure. Comme le quark top se désintègre très rapidement, le boson W qu'il produit est essentiellement « sur son coquille » (on-shell), ce qui signifie qu'il se comporte exactement comme prédit par le modèle standard sans les complications confuses de la structure interne de particules plus larges. Cela permet aux physiciens de mesurer la probabilité de transformation directement, à l'abri des incertitudes théoriques qui ont entravé les tentatives précédentes.
L'expérience CMS, un détecteur massif conçu pour capturer les débris de ces collisions, a analysé des données correspondant à une luminosité intégrée de 13⁻⁸ fb⁻¹ collectées lors de collisions proton-proton. L'équipe s'est concentrée sur une signature spécifique où l'un des bosons W provenant de la paire de quarks top se désintègre en un seul électron ou muon, tandis que l'autre se désintègre en deux jets de particules. Pour trouver le signal rare où le boson W hadronique produit un quark bottom et un quark charm, les chercheurs ont dû le distinguer du bruit de fond écrasant d'événements où le boson W produit les paires beaucoup plus communes de quarks up et down, ou de quarks charm et strange. Ils ont utilisé un algorithme informatique sophistiqué entraîné pour reconnaître la « saveur » unique des particules impliquées. Cet algorithme examinait les traces laissées par les particules et l'énergie qu'elles déposaient, recherchant spécifiquement les signes révélateurs d'un quark bottom et d'un quark charm apparaissant ensemble dans les débris de la désintégration du boson W.
Après avoir filtré les données, les chercheurs ont trouvé un signal cohérent avec la désintégration rare. Ils ont calculé la valeur de l'élément de matrice à 0,0459, avec une plage d'incertitude qui tient compte à la fois des fluctuations statistiques et des erreurs systématiques de la mesure. Ce résultat est cohérent, au sein des incertitudes, avec les déterminations inclusives et exclusives obtenues par les deux méthodes précédentes, suggérant que la divergence pourrait être résolue une fois que des données plus précises seront disponibles, ou que les mesures actuelles sont cohérentes dans leurs marges d'erreur. La mesure n'est pas encore assez précise pour déclarer un vainqueur définitif parmi les théories concurrentes, mais elle constitue un contrôle indépendant crucial qui ne dépend pas des mêmes entrées théoriques que les autres. La confirmation que la désintégration d'un boson W à l'échelle d'énergie du quark top suit les modèles attendus renforce le modèle standard tout en offrant une nouvelle voie pour étudier les différences subtiles qui pourraient suggérer une nouvelle physique. Ce travail démontre que même dans un océan d'événements communs, des processus rares peuvent être isolés et mesurés avec suffisamment de précision pour tester les lois fondamentales de la nature.
Noyé(e) sous les articles dans votre domaine ?
Recevez des digests quotidiens des articles les plus récents correspondant à vos mots-clés de recherche — avec des résumés techniques, dans votre langue.