Illustration du proton dans le Grand collisionneur de hadrons. Crédit : CERN
Si le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est bien connu pour écraser des protons, ce sont en fait les quarks et les gluons à l’intérieur des protons – collectivement connus sous le nom de “particules” – qui sont à l’origine de cette collision. partons – qui interagissent réellement. Ainsi, afin de prédire le taux d’un processus se déroulant dans le LHC – comme la production d’un boson de Higgs ou d’une particule encore inconnue – les physiciens doivent comprendre comment les partons se comportent à l’intérieur du proton. Ce comportement est décrit dans les fonctions de distribution des partons (PDF), qui décrivent quelle fraction de l’énergie cinétique d’un proton est absorbée par les quarks et les gluons qui le composent.
La connaissance de ces PDFs provient traditionnellement des collisionneurs lepton-proton, tels que HERA à DESY. Ces machines utilisent des particules ponctuelles, comme les électrons, pour sonder directement les partons à l’intérieur du proton. Leurs recherches ont révélé qu’en plus des quarks de valence haut et bas bien connus qui se trouvent à l’intérieur du proton, il existe également une mer de paires quark-antiquark dans le proton. Cette mer est théoriquement constituée de tous les types de quarks, liés entre eux par des gluons. Aujourd’hui, les études des collisions proton-proton du LHC permettent d’examiner en détail les PDF, en particulier la composition du proton en gluons et en quarks.
L’abaissement de la nouvelle petite roue à l’intérieur du détecteur ATLAS pendant le deuxième arrêt prolongé (LS2). Les nouvelles connaissances d’ATLAS sur les PDF seront utilisées dans la recherche de processus de nouvelle physique lorsque le LHC redémarrera plus tard cette année. Crédit : CERN
La Collaboration ATLAS vient de publier un rapport sur les résultats de la recherche. nouveau document combinant le LHC et le données HERA pour déterminer les PDF. Le résultat utilise les données ATLAS de plusieurs processus différents du modèle standard, notamment la production de bosons W et Z, de paires de quarks supérieurs et de jets hadroniques (jets de particules collimatés). On pensait traditionnellement que la PDF du quark étrange serait supprimée par un facteur d’environ 2 par rapport à celle des quarks supérieurs et inférieurs plus légers, en raison de sa masse plus importante. Le nouvel article confirme une résultat précédent d’ATLASLe nouvel article confirme un résultat précédent d’ATLASselon lequel le quark étrange n’est pas supprimé de manière substantielle pour de petites fractions de moment du proton, et étend ce résultat pour montrer comment la suppression intervient pour des fractions de moment plus élevées (x > ; 0,05), comme le montre la figure 1.
Figure 1 : Le rapport entre la densité de probabilité du quark étrange et la moyenne des densités de probabilité du quark léger (Rs) en fonction de la fraction du moment cinétique du proton (x) que prend chaque quark lorsqu’il participe à une collision. Crédit : Collaboration ATLAS/CERN
Plusieurs expériences et groupes théoriques dans le monde travaillent à la compréhension des PDF. Bien que leurs résultats soient généralement en accord, il y a eu une certaine variance à la fraction de haut-momentum (x > ; 0,1) qui pourrait avoir un impact sur les recherches à haute énergie pour la physique au-delà du modèle standard. En outre, il est de plus en plus évident qu’une meilleure compréhension des densités de probabilité à des fractions de momentum moyennes (x ~ 0,01-0,1) est nécessaire si les physiciens veulent trouver des preuves de processus de nouvelle physique dans les déviations par rapport au modèle standard de quantités telles que la masse du boson W ou l’angle de mélange faible. Cela nécessiterait la connaissance des PDF à un niveau précision de ~1%.
Le résultat ATLAS décrit des techniques efficaces pour évaluer les incertitudes des données – fournissant un nouveau “vade-mecum” pour les groupes PDF du monde entier.
C’est là que la contribution de l’analyse ATLAS est la plus puissante, car la précision des PDF dépend de la connaissance détaillée des incertitudes systématiques des données d’entrée. La collaboration ATLAS est capable d’évaluer les corrélations de ces incertitudes entre leurs ensembles de données et d’en tenir compte – une capacité mise à profit dans leur nouveau résultat PDF. Ces connaissances n’étaient pas disponibles auparavant en dehors d’ATLAS, ce qui fait de ce résultat un nouveau “vade-mecum” pour les groupes PDF mondiaux. Il s’avère que l’impact de ces corrélations peut décaler les valeurs centrales des PDF de > ; 1% dans la région de momentum moyen, et de beaucoup plus que cela dans la région de hautx, comme le montre la figure 2.
Figure 2 : Les PDF de l’antiquark de type descendant (à gauche) et du gluon (à droite) en fonction de la fraction du momentum du proton (x). Le résultat principal de l’analyse ATLAS (appelée ATLASpdf21), qui tient compte des corrélations des incertitudes systématiques entre les ensembles de données (rouge), est comparé à une analyse ne tenant pas compte de ces corrélations (bleu). Le siteLes panneaux en dessous montrent cette comparaison en ratio. Crédit : Collaboration ATLAS/CERN
La nouvelle compréhension des PDF par ATLAS sera utilisée dans la recherche de nouveaux processus de physique lorsque le LHC redémarrera plus tard cette année. En outre, les techniques décrites dans l’article aideront les futurs groupes d’analyse – à ATLAS et ailleurs – à déterminer des fonctions de distribution des partons plus précises.
