La collaboration CMS a décelé la présence de quarks top dans les collisions entre noyaux lourds au Grand Collisionneur de hadrons (LHC).

Ce n'est pas la première fois que le quark top, cette particule très particulière (la plus lourde des particules élémentaires connues) se manifeste dans un collisionneur. Le quark top a été observé pour la première fois dans des collisions proton-antiproton au Tévatron, il y a 25 ans, et a été depuis repéré et étudié dans des collisions proton-proton et proton-noyau au LHC. Mais les nouveaux résultats, décrits dans un article qui vient d'être accepté pour publication dans la revue Physical Review Letters, vont certainement retenir l'a ttention des expérimentateurs et des théoriciens, car l'analyse des quarks top dans les collisions d'ions lourds constitue un moyen novateur d'étudier le plasma quarks-gluons qui se forme dans ces collisions, et qui aurait existé aux premiers moments de l'Univers. De plus, cette analyse pourrait jeter une lumière nouvelle sur la disposition des quarks et des gluons à l'intérieur des noyaux lourds.

Si l'on cherche des particules « sondes », permettant d'étudier le plasma quarks-gluons, on n'a que l'embarras du choix. Les expériences LHC utilisent depuis longtemps plusieurs types de particules pour étudier les propriétés de cet état extrême de la matière, dans lequel quarks et gluons ne sont pas confinés à l'intérieur de particules composites, mais flottent librement, avec peu de frottements. Cependant, avec toutes les sondes existantes, on obtient des informations sur le plasma correspondant à une moyenne calculée sur la durée. Au contraire, le quark top, en raison de la façon dont il se désintègre en d'autres particules, fournit en quelque sorte des instantanés du plasma à différents moments de sa vie.

« Les quarks top qui se déplacent le plus rapidement donnent les instantanés les plus récents. En mettant ensemble les instantanés pris avec les quarks top sur toute une gamme de vitesse différentes, nous espérons qu'il sera finalement possible de reconstituer le film de l'évolution du plasma quarks-gluons », explique Ghilherme Milhano, chercheur au CERN, co-auteur d'une étude théorique sur l'étude du plasma quarks-gluons au moyen des quarks top. « Le nouveau résultat de CMS représente la toute première étape sur cette voie. »

La collaboration CMS a décelé la présence de quarks top dans de grands échantillons de données issus de collisions plomb-plomb à une énergie de 5,02 TeV. L'équipe s'est intéressée aux collisions produisant un quark top et un antiquark top. Ces quarks se désintègrent très rapidement en un boson W et un quark bottom, qui a leur tour se désintègrent très rapidement en d'autres particules. Les physiciens de CMS recherchaient le cas particulier où le produit final des désintégrations est constitué de leptons chargés (électrons ou muons, version plus massive de l'électron) et de « jets » de particules multiples provenant de quarks bottom.

Après avoir isolé et compté ces événements de collision top-antitop, CMS a estimé la probabilité de production, dans des collisions plomb-plomb, de paires top-antitop via des leptons chargés et des quarks bottom. Le résultat a une signification statistique d'environ quatre écarts-types, et donc ne franchit pas le seuil des cinq écarts-types nécessaire pour que puisse être revendiquée une observation de la production de quarks top. Il représente toutefois une manifestation significative de ce processus : il n'y a qu'une probabilité de 0,003 % que le résultat soit un accident statistique. De plus, le résultat concorde avec les prédictions théoriques, ainsi qu'avec les extrapolations par rapport aux mesures précédentes de la probabilité dans des collisions proton-proton à la même énergie de collision.

« Notre résultat démontre la capacité de l'expérience CMS à effectuer des analyses incluant le quark top dans l'environnement complexe des collisions de noyaux lourds, explique Georgios Krintiras, physicien à CMS et chercheur postdoctoral à l'Université du Kansas, et constitue le premier jalon en vue de l'utilisation du quark top comme sonde nouvelle et puissante du plasma quarks-gluons. »

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Pour en savoir plus, voir le site web de CMS.