La collaboration CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons a effectué la mesure la plus précise à ce jour de la masse du quark top, la plus lourde des particules élémentaires connues. Le résultat le plus récent de CMS apporte une estimation de la valeur de la masse du quark top avec une précision d'environ 0,22 %. Ce gain important en précision a pu être obtenu grâce à de nouvelles méthodes d'analyse et à des procédures améliorées permettant de traiter de manière cohérente et simultanée différentes incertitudes de la mesure.

Connaître précisément la masse du quark top est d'une importance capitale pour comprendre l'infiniment petit. Il est en effet crucial d’acquérir une connaissance très fine de la plus lourde des particules élémentaires pour pouvoir évaluer la cohérence interne de la description mathématique de l'ensemble des particules élémentaires, à savoir le Modèle standard.

Par exemple, si les masses du boson W et du boson de Higgs sont connues précisément, la masse du quark top peut être prédite par le Modèle standard. De même, à partir des masses du quark top et du boson de Higgs, il est possible de prédire la masse du boson W. Il est intéressant de noter que, malgré des progrès importants, la définition de la masse en physique théorique, qui tient compte de l'effet des corrections quantiques, présente des difficultés s’agissant du quark top.

Plus surprenant, la façon dont nous appréhendons la stabilité même de notre Univers dépend de notre connaissance à la fois de la masse du boson de Higgs et de celle du quark top. Si nous savons que l'Univers est très proche d'un état métastable, c’est grâce à la précision des mesures actuelles de la masse du quark top. Si la masse du quark top était très légèrement différente, l'Univers serait moins stable à long terme et pourrait finir par disparaître dans un événement violent analogue au Big Bang.

Pour réaliser leur toute dernière mesure de la masse du quark top, à partir des données issues des collisions proton-proton dans le LHC recueillies par le détecteur CMS en 2016, l'équipe de CMS a mesuré cinq propriétés différentes (au lieu de trois au maximum dans les analyses précédentes) des événements de collision dans lesquels est produite une paire de quarks top. Ces propriétés dépendent de la masse du quark top.

En outre, l'équipe a effectué un étalonnage extrêmement précis des données de CMS et a acquis une compréhension approfondie des incertitudes expérimentales et théoriques restantes et de leurs interdépendances. Selon cette méthode innovante, toutes ces incertitudes ont également été extraites lors de l'ajustement mathématique déterminant la valeur définitive de la masse du quark top, ce qui a permis d'estimer certaines incertitudes avec une plus grande précision. Le résultat, 171,77±0,38 GeV, est conforme aux mesures précédentes et à la prédiction du Modèle standard.

La collaboration CMS a franchi un cap avec cette nouvelle méthode de mesure de la masse du quark top. Le caractère innovant du traitement statistique des incertitudes et l'utilisation d'un plus grand nombre de propriétés ont permis d'améliorer considérablement le résultat. Une autre grande étape est attendue lorsque la nouvelle approche sera appliquée à l’ensemble de données plus conséquent enregistré par le détecteur CMS en 2017 et 2018.

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