CMS réalise une nouvelle mesure concordant avec l’existence du toponium

On a longtemps pensé que le quark top, la particule élémentaire connue la plus lourde et à la durée de vie la plus courte, se désintégrait trop vite pour former des états liés. Cependant, un nouveau résultat de la collaboration CMS, présenté lors des Rencontres de Moriond, vient renforcer une observation faite l’année dernière suggérant que le quark top pourrait s’appairer brièvement avec son homologue dans l’antimatière. Cet état lié fugace, appelé toponium, serait la particule composite la plus massive jamais observée et viendrait compléter le tableau des états quark-antiquark liés par la force nucléaire forte.

La plus grande partie de la matière qui nous entoure est faite d’atomes, à l’intérieur desquels les électrons s’accrochent aux protons grâce à la force électromagnétique. Mais les protons ne sont pas eux-mêmes élémentaires. Ils appartiennent à une grande famille de particules composites appelées hadrons, dans lesquelles des quarks sont maintenus ensemble grâce à la force nucléaire forte. Parmi elles, les plus simples sont les paires constituées d’un quark avec son propre antiquark, qui offrent un aperçu particulièrement utile des mécanismes de la force forte. Depuis des dizaines d’années, ces états sont connus pour tous les types de quarks, sauf le plus insaisissable : le top.

Découvert il y a plus de 30 ans au Tevatron, accélérateur situé près de Chicago, le quark top est depuis étudié de manière poussée, des expériences au LHC allant jusqu’à mesurer l’intrication quantique entre les quarks top et les antiquarks top. Même lorsqu’il est produit avec son antiquark, le quark top se désintègre généralement avant que tout état lié puisse se former. Toutefois, les centaines de millions de paires quark top-antiquark top produites au LHC, qui en font une véritable usine à quarks top, constituent un ensemble de données si gigantesque que les phénomènes les plus rares peuvent laisser une trace décelable.

Les premiers indices de la présence du toponium sont apparus dans le cadre de recherches sur des particules lourdes ressemblant au boson de Higgs et susceptibles de se désintégrer en une paire quark top-antiquark top. Un excédent inattendu d’événements de collision a été observé à une masse proche de deux fois la masse du quark top, ce qui est plus caractéristique d’un état lié que d’une nouvelle particule fondamentale. Des études détaillées des expériences CMS et ATLAS ont confirmé cet excédent en utilisant des événements dans lesquels les deux quarks top se désintègrent en leptons (électrons ou muons).

La nouvelle étude de CMS aborde le problème sous un angle différent en examinant les événements dans lesquels un quark top se désintègre en un quark b, un lepton chargé et un neutrino, alors que l’autre se désintègre en quarks qui produisent des gerbes, ou « jets », de particules. « Isoler le signal dans ce canal de désintégration a constitué un vrai défi », déclare Otto Hindrichs, chercheur à l’Université de Rochester, qui a élaboré une nouvelle technique reposant sur l’IA pour reconstituer ces événements de collision.

« Au lieu de reconstituer directement la masse de la paire quark top-antiquark top, nous nous sommes concentrés sur la vitesse relative du quark top et de l’antiquark top, explique Yu‑Heng Yu, étudiant participant à l’analyse. S’ils forment un état lié, leur vitesse relative devrait être bien inférieure à celle qu’ils ont lorsqu’ils sont produits de manière indépendante. »

Ces nouvelles techniques se sont avérées très efficaces, puisqu’elles ont abouti à l’observation d’un excédent avec une signification statistique de plus de cinq écarts-types, la valeur de référence pour une découverte en physique des hautes énergies. Ce résultat apporte une nouvelle confirmation, statistiquement indépendante, de la production du toponium.

« Le toponium est plus lourd que le noyau atomique le plus lourd connu à ce jour, l’oganesson, ce qui en fait l’état lié le plus massif jamais observé, souligne Regina Demina, directrice du groupe CMS à l’Université de Rochester. Sa découverte renforce notre compréhension de la force nucléaire forte et de sa capacité de lier les constituants fondamentaux de la matière. »

Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de CMS.