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Une collaboration inédite de quatre grandes expériences du LHC et du Tevatron précise la masse du quark top

Dernière mise à jour : mercredi 26 mars 2014, par Daniel Bloch

IN2P3, 21 Mars 2014

 

Les scientifiques collaborant aux expériences de physique des particules au Tevatron (Fermilab) et au LHC (Cern) viennent d’atteindre une précision inégalée sur la masse de la particule la plus lourde du modèle standard : le quark top. Ceci pourrait donner des clés pour rechercher la nouvelle physique au-delà du Modèle standard. Les chercheurs de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA Irfu) et du CNRS sont associés à ces résultats.

 

Les physiciens des expériences Atlas, CDF, CMS et D0 ont, pour la première fois, joint leurs forces pour combiner leurs données et produire le premier résultat commun issu des deux plus puissants collisionneurs au monde : le Tevatron à Fermilab près de Chicago et le LHC au Cern près de Genève. Ensemble, les quatre expériences ont permis d’atteindre une précision inégalée de 0,4 % sur la masse de la particule la plus lourde du modèle standard : le quark top. Cette combinaison de onze mesures individuelles (dont deux directement issues du travail des physiciens français) a nécessité une collaboration étroite entre les quatre expériences afin de maîtriser les détails des techniques d’analyse et d’estimer les incertitudes.

Le LHC (Cern, Europe), en fonctionnement depuis 2009, et le Tevatron (Fermilab, Etats-Unis), arrêté depuis 2011, sont les deux seules machines à avoir l’énergie nécessaire pour produire directement le quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue actuellement. La grande masse du quark top (près de 200 fois celle d’un proton) confère à ce quark des caractéristiques très particulières. Il constitue un des objets d’étude les plus importants dans la recherche de nouvelle physique au-delà du modèle standard. Mesurer sa masse avec une grande précision est un défi que les équipes du Tevatron et du LHC ont relevé depuis la découverte du quark top en 1995 au Tevatron. Le Tevatron a produit environ 300 000 événements contenant une paire top-antitop au cours de ses 25 ans de vie. Le LHC depuis son démarrage est une véritable "usine à top" avec près de 20 millions d’événements top produits.

Chacune des quatre collaborations avait déjà publié des mesures individuelles de masse du quark top en analysant les différents canaux de désintégration du quark top par des méthodes de plus en plus sophistiquées au cours des vingt ans de recherche dans ce domaine. Mais c’est seulement en combinant leur expertise et les informations extraites de leurs données respectives que les quatre équipes ont pu atteindre ce niveau de précision. Ainsi onze résultats individuels ont été combinés pour atteindre la meilleure mesure au monde de la masse du quark top : 173,34 ± 0,76 GeV/c2, c’est à dire une précision de l’ordre de 0,4 %. Ceci correspond à une amélioration de 30 % par rapport à la meilleure mesure individuelle. Cette mesure très précise va permettre aux physiciens de tester en détail le modèle mathématique qui relie grâce à la mécanique quantique la masse du quark top, la masse du boson de Higgs découvert en 2012 et la masse du boson W, vecteur de l’interaction nucléaire faible. Ceci permettra de rechercher des incohérences éventuelles dans le modèle standard et des signes de modèles physiques qui conduiraient à une meilleure compréhension des constituants de l’Univers. La mesure précise de la masse du quark top est également cruciale pour confirmer que le vide de notre univers est bien stable. Ce nouveau résultat est présenté aux rencontres internationales de Moriond, en Italie, le 19 mars 2014, une conférence organisée chaque année par la communauté française et devenue un rendez-vous incontournable pour les physiciens des particules du monde entier.

Les équipes de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA-Irfu) et du CNRS étudient le quark top depuis de nombreuses années au sein des quatre grandes expériences du Cern et du Fermilab. Les physiciens de l’Irfu et du CNRS coordonnent une partie des études sur le quark top dans ces expériences. Deux des mesures individuelles qui entrent dans la combinaison sont directement issues du travail des équipes françaises. Ce premier résultat commun ouvre la voie à la combinaison d’autres résultats et permettra, par une plus grande coopération entre les expériences, de pousser toujours plus loin les frontières de la connaissance.

Mesure combinée de la masse du quark top

Cette figure montre un résumé des mesures de masse du quark top issues des quatre expériences Atlas, CDF, CMS et D0 avec le résultat combiné de l’analyse conjointe (Credit : CERN/Fermilab).

Unité de mesure des masses en physique des particules : dans le domaine de la physique des particules, les énergies sont usuellement exprimées en gigaélectronvolt (GeV). 1 GeV correspond à 1,6x10-10 Joule. Du fait de la relativité restreinte (E=mc2), à partir de l’énergie d’une particule en GeV, il est possible d’en exprimer la masse en divisant son énergie par le carré de la vitesse de la lumière. La masse de la particule est alors exprimée en GeV/c².

 

Les laboratoires du CNRS et du CEA impliqués dans les expériences Atlas et CMS

Atlas

CMS

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