La collaboration CMS au Grand collisionneur de hadrons mesure la masse du quark supérieur avec une précision inégalée. Crédit : CERN
La connaissance précise de la masse du quark top est d’une importance capitale pour comprendre notre monde à la plus petite échelle.
La collaboration CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a effectué la mesure la plus précise jamais réalisée de la masse du quark top – la particule élémentaire connue la plus lourde. Les dernières mesures de CMS résultat estime la valeur de la masse du quark top avec une précision de .précision d’environ 0,22 %. Le gain substantiel en précision provient de nouvelles méthodes d’analyse et de procédures améliorées pour traiter de manière cohérente et simultanée les différentes incertitudes de la mesure.
La connaissance précise de la masse du quark top est d’une importance capitale pour comprendre notre monde à la plus petite échelle. Connaître cette particule élémentaire la plus lourde aussi intimement que possible est crucial car cela permet de tester la cohérence interne de la description mathématique de toutes les particules élémentaires, appelée le modèle standard.
La signature classique d’une paire de quarks supérieurs produite dans des collisions LHC est constituée de quatre jets (cônes jaunes), d’un muon (ligne rouge, également détecté par les détecteurs de muons CMS sous forme de boîtes rouges) et de l’énergie manquante d’un neutrino (flèche rose). Crédit : CERN
Par exemple, si les masses du boson W et du boson de Higgs sont connues avec précision, la masse du quark supérieur peut être prédite par le modèle standard. De même, en utilisant les masses du quark supérieur et du boson de Higgs, la masse du boson W peut être prédite. Il est intéressant de noter que, malgré de nombreux progrès, la définition théorique-physique de la masse, qui concerne l’effet des corrections quantiques-physiques, est encore difficile à cerner pour le quark top.
Et remarquablement, notre connaissance de la stabilité même de notre univers dépend de notre connaissance combinée des masses du boson de Higgs et du quark supérieur. La précision des mesures actuelles de la masse du quark supérieur nous permet de savoir que l’univers est très proche d’un état métastable. Si la masse du quark top était même légèrement différente, l’univers serait moins stable à long terme et pourrait finir par disparaître dans un événement violent similaire à celui de la catastrophe de l’an 2000. Big Bang.
Pour effectuer leur dernière mesure de la masse du quark top, en utilisant les données des collisions proton-proton LHC recueillies par le détecteur CMS en 2016, l’équipe CMS a mesuré cinq propriétés différentes des événements de collision dans lesquels une paire de quarks top est produite, au lieu des trois propriétés au maximum qui étaient mesurées dans les analyses précédentes. Ces propriétés dépendent de la masse du quark top.
En outre, l’équipe a effectué un étalonnage extrêmement précis des données CMS et a acquis une compréhension approfondie des incertitudes expérimentales et théoriques restantes et de leurs interdépendances. Grâce à cette méthode innovante, toutes ces incertitudes ont également été extraites lors de l’ajustement mathématique qui détermine la valeur finale de la masse du quark supérieur, ce qui a permis d’estimer certaines incertitudes avec beaucoup plus de précision. Le résultat, 171.77±0,38 GeV, est conforme aux mesures précédentes et à la prédiction du modèle standard.
La collaboration CMS a fait un grand pas en avant avec cette nouvelle méthode de mesure de la masse du quark supérieur. Le traitement statistique de pointe des incertitudes et l’utilisation d’un plus grand nombre de propriétés ont considérablement amélioré la mesure. Un autre grand pas en avant est attendu lorsque la nouvelle approche sera appliquée à l’ensemble de données plus étendu enregistré par le détecteur CMS en 2017 et 2018.
