ATLAS observe des quarks top lors de collisions plomb-plomb

Lors d’une conférence organisée cette semaine au CERN, la collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a rapporté observer quarks t dans des collisions entre ions plomb, marquant la première observation de ce processus dans les interactions entre noyaux atomiques.

Cette observation représente une avancée significative dans la physique des collisions d’ions lourds, ouvrant la voie à de nouvelles mesures du plasma quark-gluon (QGP) créé lors de ces collisions et fournissant de nouvelles informations sur la nature de la force forte qui lie les protons, neutrons et autres particules composites ensemble.

Dans le QGP, les composants fondamentaux des protons et des neutrons – les quarks (particules de matière) et les gluons (forts porteurs de force) – ne sont pas liés à l’intérieur des particules, mais existent plutôt dans un état « déconfiné » de la matière, formant un fluide dense presque parfait.

Les scientifiques pensent que le QGP a rempli l’univers brièvement après le Big Bang et son étude offre un aperçu des conditions de cette première époque de l’histoire de notre univers. Cependant, la durée de vie extrêmement courte du QGP lorsqu’il est créé lors de collisions d’ions lourds – environ 10^–23 secondes – signifie qu’il ne peut pas être observé directement. Au lieu de cela, les physiciens étudient les particules produites lors de ces collisions et traversent le QGP, les utilisant comme sondes des propriétés du QGP.

Le quark top, en particulier, constitue une sonde très prometteuse de l’évolution du QGP au fil du temps. En tant que particule élémentaire la plus lourde connue, le quark t se désintègre en d’autres particules un ordre de grandeur plus rapide que le temps nécessaire pour former le QGP. Le délai entre la collision et les produits de désintégration du quark top interagissant avec le QGP pourrait servir de « marqueur temporel », offrant une opportunité unique d’étudier la dynamique temporelle du QGP.

De plus, les physiciens pourraient extraire de nouvelles informations sur les fonctions de distribution des partons nucléaires, qui décrivent comment l’impulsion d’un nucléon (proton ou neutron) est répartie entre ses quarks et gluons constitutifs.

Dans leurs nouveaux résultats, les physiciens d’ATLAS ont étudié les collisions d’ions plomb qui ont eu lieu à une énergie de collision de 5,02 téraélectronvolts (TeV) par paire de nucléons au cours de la deuxième exploitation du LHC. Ils ont observé la production de quarks top dans le « canal dilepton », où les quarks top se désintègrent en un quark bottom et un boson W, qui se désintègre ensuite en un électron ou un muon et un neutrino associé.

Le résultat a une signification statistique de 5,0 écarts-types, ce qui en fait la première observation de la production de paires de quarks top dans des collisions noyau-noyau. La collaboration CMS avait déjà rapporté des preuves de ce processus dans les collisions plomb-plomb.

L’observation a été rendue possible grâce aux capacités précises de reconstruction de leptons de l’expérience ATLAS, associées à quelques autres éléments. Il s’agit notamment des statistiques élevées de l’ensemble complet de données plomb-plomb du Run-2, des estimations basées sur les données des processus de fond qui pourraient imiter le signal, de nouvelles simulations d’événements de quark top et des méthodes d’étalonnage de jet dédiées.

Notamment, l’analyse ne s’appuie pas sur des techniques qui « marquent » le jet provenant du quark bottom. Cela ouvre la possibilité d’utiliser l’analyse pour l’étalonnage du marquage du fond, notoirement difficile, dans les collisions d’ions lourds, ce qui améliorerait les mesures futures des quarks t produits lors de ces collisions.

Les physiciens d’ATLAS ont mesuré le taux de production de paires de quarks top, ou « section efficace », avec une incertitude relative de 35 %. L’incertitude totale est principalement due à la taille de l’ensemble de données, ce qui signifie que les nouvelles données sur les ions lourds issues de l’exécution 3 en cours amélioreront la précision de la mesure.

Le nouveau résultat d’ATLAS ouvre une fenêtre sur l’étude du QGP. Dans les études futures, les scientifiques d’ATLAS examineront également le canal de désintégration « semi-leptonique » des paires de quarks top lors de collisions d’ions lourds, ce qui pourrait leur permettre d’avoir un premier aperçu de l’évolution du QGP au fil du temps.