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Troisième période d'exploitation : premiers résultats de physique de CMS

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Top and antitop pairs as seen in the CMS detector in LHC Run 3
Représentation interactive par CMS d'un événement issu de la troisième période d'exploitation montrant la désintégration d'une paire de quarks top (Image: CERN)

Le 5 juillet, le LHC s'est remis en route pour sa troisième période d'exploitation, après trois années d'améliorations continuelles apportées à la machine, aux détecteurs des expériences et aux outils d'analyse. Il a aussitôt atteint l'énergie record de 13,6 TeV. Trois semaines plus tard, la collaboration CMS était déjà prête à acquérir ses premières données de physique.

La collaboration CMS a récemment présenté ses premiers résultats de physique depuis le début de la troisième période d'exploitation. Ceux-ci concernent le taux de production de paires de quarks top (le top étant la plus lourde des particules élémentaires). En l'espace d'une semaine seulement (du 28 juillet au 3 août), la collaboration a collecté un volume de données représentant près de 12 % du volume qui s’est avéré nécessaire pour la découverte du boson de Higgs en 2012.

Avant le début de la troisième période d'exploitation, la collecte en un temps très court d’une si grande quantité de données était ce que les équipes espéraient ; c'est maintenant chose faite. À titre de comparaison, il a fallu deux ans aux physiciens pour collecter les données qui leur ont permis d'annoncer la découverte du boson de Higgs, en 2012. Aujourd'hui, grâce aux progrès qu'ont connu les systèmes d'acquisition et de sélection de données, et à la vitesse record à laquelle sont effectuées les analyses, les données de la troisième période d'exploitation peuvent être analysées quasiment en temps réel.

Grâce au nombre élevé de paires de quarks top produites au LHC, il suffit d’une faible quantité de données pour commencer l'analyse de physique. Le taux de production de ce système de particules lourd a été amélioré de 10 % environ grâce à l'augmentation de l'énergie de collision, qui est passée de 13 TeV lors de la deuxième période d'exploitation à 13,6 TeV lors de la troisième. Les résultats de CMS, qui concordent avec la prédiction du Modèle standard, sont importants, car des mesures précises des propriétés du quark top apportent, entre autres, des éléments cruciaux en vue de diverses études de nouveaux phénomènes qui pourront être réalisées pendant la troisième période d'exploitation. En raison de sa masse élevée, le top quark se désintègre immédiatement en un quark b et en un boson W, qui est également une particule instable. Les produits de la désintégration laissent des traces lorsqu'ils traversent le détecteur, ce qui permet de les observer et de tester la performance du détecteur.

Les mesures de précision du Modèle standard sont un aspect essentiel du programme de la troisième période d'exploitation, tout écart significatif pouvant être le signe d'une nouvelle physique. La mesure du taux de production de paires de quarks top n'est que la première étape d'un voyage vers un territoire inexploré, celui d'un nouveau régime d'énergie qui permettra peut-être de lever le voile sur des questions de physique fondamentales.