Les physiciens de la collaboration CMS (Compact Muon Solenoid) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont considérablement amélioré la précision avec laquelle la masse du quark top – la particule élémentaire connue la plus lourde – est mesurée. Leur nouveau résultat (171,77 GeV) estime la valeur de la masse du quark top avec une précision d’environ 0,22 %. Le gain provient de nouvelles méthodes d’analyse et de procédures améliorées pour traiter de manière cohérente et simultanée les incertitudes de la mesure.
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 image : CERN.
La connaissance précise de la masse du quark supérieur 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 du modèle standard.
Par exemple, en connaissant précisément la masse du boson W et du boson de Higgs, la masse du quark supérieur peut être prédite par le Modèle standard et, par conséquent, également la masse du boson W en utilisant la masse du quark supérieur et du boson de Higgs.
Il est intéressant de noter que la définition de la masse en physique théorique, qui concerne l’effet des corrections quantiques, est encore difficile à quantifier pour le quark top.
Et remarquablement, la stabilité même de notre Univers dépend des valeurs exactes des masses du boson de Higgs et du quark top.
Avec la précision actuelle, les physiciens savent seulement que notre Univers est très proche d’un état métastable. Si la masse du quark supérieur est même légèrement différente, l’Univers serait moins stable à long terme, et pourrait éventuellement disparaître dans un événement violent similaire au Big Bang.
Pour effectuer leur dernière mesure de la masse du quark top, les chercheurs de CMS ont utilisé les données des collisions proton-proton du LHC recueillies par le détecteur CMS en 2016.
Ils ont mesuré cinq propriétés différentes des événements de collision dans lesquels une paire de quarks supérieurs est produite, au lieu des trois propriétés au maximum qui étaient mesurées dans les analyses précédentes.
En outre, ils ont effectué un étalonnage extrêmement précis des données CMS et ont 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 de l’équipe, 171,77 ± 0,38 GeV, est cohérent avec les mesures précédentes et la prédiction du modèle standard.
Le résultat a été présenté le 5 avril 2022 à la conférence de l’Académie des sciences. Séminaire du LHC à Zurich, en Suisse.
