Quête de nouvelles particules au LHC

Dans des études récentes au Grand collisionneur de hadrons (LHC), des scientifiques ont exploré de nouvelles particules appelées bosons vecteurs qui pourraient se désintégrer en des particules familières comme les quarks top et bottom. Cette recherche se concentre sur les collisions impliquant des protons, où ces interactions peuvent créer des conditions propices à l'identification de potentielles nouvelles particules.

#Le détecteur ATLAS

Le détecteur ATLAS est un gros instrument complexe conçu pour capturer des données des collisions à haute énergie au LHC. Il couvre presque toutes les directions autour du point de collision. Le détecteur ATLAS inclut divers composants comme des détecteurs de suivi pour suivre les particules, des Calorimètres pour mesurer l'énergie, et un système de muons pour détecter des particules spécifiques.

#Détecteur de suivi interne

Le détecteur de suivi interne est responsable du suivi des particules chargées. Il se compose de différentes couches de capteurs pour fournir des mesures précises des trajectoires des particules.

#Système de calorimètre

Le calorimètre mesure l'énergie des particules en les absorbant. Il comprend des composants électromagnétiques et hadroniques, ce qui lui permet de gérer une large gamme de types de particules.

#Spectromètre de muons

Le spectromètre de muons est conçu pour détecter les muons, qui sont des parents plus lourds des électrons. Il utilise un champ magnétique pour mesurer les trajectoires de ces particules avec précision.

#Ensemble de données et analyse

L'analyse utilise des données de collisions proton-proton prises entre 2015 et 2018, totalisant une luminosité intégrée de 139 fb. Les scientifiques se sont concentrés sur l'identification de la masse invariante des particules produites pour rechercher des signes de nouveaux bosons se désintégrant en quarks top et bottom.

#À la recherche de bosons vecteurs

#Informations de base

Certaines théories en physique prédisent l'existence de nouveaux bosons qui pourraient interagir avec des particules connues, comme le quark top et le quark bottom. Ces bosons pourraient être différents de ceux déjà connus dans le Modèle Standard de la physique des particules. L'objectif est de déterminer si ces nouveaux bosons existent en examinant leurs motifs de désintégration.

#Mécanisme de production

Lorsque des protons entrent en collision, ils peuvent créer beaucoup d'énergie. Cette énergie peut produire des particules lourdes comme les bosons vecteurs. Si ces bosons existent, ils pourraient se désintégrer en paires de quarks top et bottom. En étudiant les produits de désintégration, les chercheurs peuvent déduire des informations sur les propriétés de ces bosons.

#Scénarios de désintégration

Les scientifiques ont envisagé deux scénarios principaux de désintégration pour les bosons. Un scénario implique une chiralité droite, ce qui signifie que le boson interagit avec des particules droites. L’autre implique une chiralité gauche, qui interagit avec des particules gauches. Les deux scénarios ont des caractéristiques distinctes qui peuvent être étudiées à travers leurs motifs de désintégration.

#Diagrammes de Feynman

Les diagrammes de Feynman sont un outil utile en physique des particules pour visualiser les interactions entre particules. Ils montrent comment les particules sont produites, comment elles interagissent et comment elles se désintègrent. Dans cette étude, des diagrammes ont été utilisés pour illustrer comment un quark top pourrait se désintégrer en un boson et comment ce boson se désintègre ensuite en d'autres quarks ou leptons.

#Critères de sélection des événements

#Événements déclencheurs

Pour analyser les données efficacement, les événements sont filtrés selon certains critères. Les événements doivent contenir des jets à haute énergie et grand rayon, ce qui indique la présence de désintégrations de quarks top. D'autres exigences sont imposées pour s'assurer que ces jets répondent à des critères spécifiques d'énergie et de moment.

#Estimation de fond

Les processus de fond dus à des événements physiques connus, comme la production de multi-jets et les paires de quarks top, peuvent compliquer l'analyse. Les scientifiques utilisent des méthodes basées sur les données pour estimer ces fonds, leur permettant de séparer les événements de signal potentiels de ces interactions non pertinentes.

#Reconstruction des objets

Pour identifier les particules produites dans une collision, les scientifiques reconstruisent l'événement en analysant l'énergie et les informations de suivi du détecteur. Des algorithmes spéciaux sont utilisés pour identifier des jets, des électrons et des muons.

#Reconstruction des jets

Les jets représentent des groupes de particules qui émergent d'une collision. Ceux-ci sont reconstruits à l'aide d'algorithmes qui combinent les dépôts d'énergie du calorimètre et les informations de suivi du détecteur interne. Il y a deux types de jets utilisés dans cette analyse : des jets à grand rayon pour les quarks top et des jets à petit rayon pour les quarks bottom.

#Définition de la région de signal

Les événements sont catégorisés en différentes régions basées sur des caractéristiques comme la multiplicité des jets et le tagging. Les régions de signal sont celles les plus susceptibles de contenir des preuves d'un nouveau boson, tandis que les régions de contrôle sont utilisées pour estimer les fonds.

#Régions de signal

Les régions de signal sont où les conditions sont optimisées pour détecter la présence d'un boson. Cela inclut d'avoir un jet de quark top tagué et un jet de quark bottom tagué.

#Régions de contrôle

Les régions de contrôle sont utilisées pour valider les méthodes utilisées pour estimer les fonds. En mesurant les contributions de fond dans ces régions, les chercheurs peuvent s'assurer que leurs prévisions sont précises.

#Stratégie d'analyse dans les deux canaux

#Canal tout-hadrons

Le canal tout-hadrons implique des événements où les quarks top et bottom se désintègrent en hadrons, menant à plusieurs jets dans l'état final. L'accent est mis ici sur l'identification des événements qui produisent deux jets distincts représentant les produits de désintégration des quarks top et bottom.

#Canal Lepton+Jets

Dans le canal lepton+jets, un des quarks top se désintègre en un lepton tandis que l'autre se désintègre en un quark bottom. La présence d'un lepton facilite l'identification de l'événement et aide à réduire le bruit de fond.

#Incertitudes systématiques

Différentes incertitudes peuvent affecter les mesures. Celles-ci peuvent provenir de la calibration du détecteur, de la modélisation théorique, et des différences entre les événements prévus et observés. Comprendre ces incertitudes est crucial pour interpréter correctement les résultats.

#Analyse statistique

Dans cette analyse, des méthodes statistiques étendues sont utilisées pour évaluer les données collectées. Une approche de vraisemblance maximale est employée pour ajuster les données observées aux modèles qui incluent à la fois les contributions de signal et de fond.

#Ajustements de vraisemblance

Les ajustements de vraisemblance fournissent un cadre pour combiner des données de plusieurs régions et évaluer la présence d'un signal par rapport à une hypothèse de fond seulement. Ce processus aide à déterminer si des preuves d'un nouveau boson peuvent être revendiquées.

#Résultats

#Limites supérieures sur la production

L'analyse produit des limites supérieures sur la section efficace de production pour les bosons proposés. Ces limites indiquent à quel point il est probable que les bosons soient produits aux énergies de collision observées sans être détectés.

#Limites d'exclusion

L'analyse fixe des limites d'exclusion pour des gammes de masses spécifiques des bosons. Cela informe les scientifiques sur les masses qui peuvent être exclues en raison de l'absence de signaux observés dans les données.

#Conclusion

La recherche de bosons vecteurs se désintégrant en quarks top et bottom au LHC fournit des informations précieuses dans la quête de compréhension des composants fondamentaux de la matière. Bien qu'aucune déviation significative par rapport au fond attendu n'ait été observée, les résultats contribuent au travail continu en physique des particules et aident à affiner les modèles pour de futures recherches.

#Directions futures

L'exploration continue des interactions de particules au LHC a le potentiel de révéler de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard. Dans de futures études, les chercheurs rechercheront des canaux de désintégration supplémentaires et affineront les techniques de détection pour enquêter davantage sur les propriétés de ces bosons insaisissables.