De nouveaux résultats de la collaboration CMS au Grand collisionneur de hadrons du CERN démontrent pour la première fois que les quarks supérieurs sont produits dans des collisions noyau-noyau. Ces résultats ouvrent la voie à l’étude d’une manière nouvelle et unique de l’état extrême de la matière qui aurait existé peu après le Big Bang.
Avec une masse d’environ 170 fois celle du proton, le quark top est la particule élémentaire connue la plus lourde.
Observée pour la première fois dans des collisions proton-antiproton au collisionneur Tevatron il y a 25 ans, cette particule est également un outil unique et potentiellement très puissant pour comprendre le contenu interne de la matière nucléaire.
La création d’une paire particule-antiparticule d’un quark aussi massif nécessite qu’une grande quantité d’énergie cinétique soit convertie en masse par une seule interaction élémentaire.
Les quarks et les gluons à l’intérieur des protons et des neutrons ont une très grande dispersion d’énergie. Par conséquent, seule une infime partie de leurs collisions dépasse le seuil d’énergie requis pour que la production de quark top ait lieu.
Cela signifie qu’en sélectionnant les événements contenant des quarks supérieurs, on n’étudie implicitement que les collisions élémentaires les plus énergétiques. En conséquence du principe d’Heisenberg, ces collisions sondent les plus petites distances spatio-temporelles.
La masse importante du quark top a également pour conséquence qu’il se désintègre plus rapidement que tout autre quark connu.
Alors que la durée de vie moyenne d’un quark top est de l’ordre d’une yoctoseconde (10-24 s), la durée de vie de son frère, le quark inférieur, est de l’ordre de la picoseconde (10-12 s).
Ceci est important car une yoctoseconde est encore des centaines de fois plus courte que le temps nécessaire pour que les processus de chromodynamique quantique (QCD) aient lieu.
Ces processus QCD incluent l’hadronisation, qui “habille” tous les autres quarks jusqu’à ce que l’état final ne contienne plus que des particules de couleur neutre, la couleur étant l’équivalent QCD de la charge.
D’autres exemples sont la formation, l’expansion et le refroidissement du plasma quark-gluon, qui, selon les estimations, nécessitent chacun une échelle de temps de l’ordre de 10-22 s.
Par conséquent, contrairement aux autres quarks, le quark top se désintègre avant que de tels processus ne puissent se produire. Il peut également se désintégrer au sein même du plasma quark-gluon. Cette désintégration produit d’autres quarks qui subissent une interaction intense avec le plasma quark-gluon.
Pour les raisons susmentionnées, les quarks supérieurs peuvent fournir des informations sur les collisions à très haute énergie. Ils permettent également aux physiciens d’étudier comment les quarks produits par la désintégration du quark top subissent une “extinction” de leur énergie par le biais d’interactions avec le plasma quark-gluon.
“Les quarks supérieurs qui se déplacent plus rapidement fournissent des instantanés plus tardifs”, a déclaré Guilherme Milhano, physicien au CERN.
“En assemblant des instantanés pris avec des quarks supérieurs à une gamme de vitesses différentes, nous espérons qu’il sera finalement possible de créer un film de l’évolution du plasma quark-gluon.”
“Le nouveau résultat de CMS représente le tout premier pas sur cette voie”.
La collaboration CMS a vu des preuves de la présence de quarks supérieurs dans un grand échantillon de données provenant de collisions plomb-plomb à une énergie de 5,02 TeV.
Les chercheurs ont cherché des collisions produisant un quark top et un antiquark top.
Ces quarks se désintègrent très rapidement en un boson W et un quark inférieur, qui à leur tour se désintègrent également très rapidement en d’autres particules.
Les scientifiques ont recherché le cas particulier dans lequel les produits de désintégration finaux sont des leptons chargés (électrons ou leurs cousins plus lourds, les muons) et des “jets” de particules multiples provenant des quarks inférieurs.
Après avoir isolé et compté ces événements de collision top-antitop, ils ont estimé la probabilité que les collisions plomb-plomb produisent des paires top-antitop via des leptons chargés et des quarks inférieurs.
Le résultat a une signification statistique d’environ quatre écarts-types, donc il ne franchit pas encore le seuil de cinq écarts-types qui est requis pour prétendre à l’observation de la production de quarks supérieurs.
Mais il représente une preuve significative du processus – il n’y a que 0,003% de chance que le résultat soit un hasard statistique.
De plus, le résultat est cohérent avec les prédictions théoriques, ainsi qu’avec les extrapolations de la théorie de l’énergie.Mesures précédentes de la probabilité dans les collisions proton-proton à la même énergie de collision.
“Notre résultat démontre la capacité de l’expérience CMS à réaliser des études du quark supérieur dans l’environnement complexe des collisions de noyaux lourds”, a déclaré le Dr Georgios Krintiras, physicien de CMS et chercheur postdoctoral à l’Université du Kansas.
“Et c’est le premier pas vers l’utilisation du quark top comme une nouvelle et puissante sonde du plasma quark-gluon.”
Les résultats ont été publiés en ligne dans le journal Physical Review Letters.