Plongez dans les profondeurs subatomiques, au cœur des protons et des neutrons, et vous tomberez sur des particules élémentaires portant le nom de « quarks ». Mesurer la masse de ces particules est particulièrement épineux. Cependant, de nouveaux résultats, obtenus par la collaboration CMS, révèlent pour la première fois comment la masse du quark top – le plus lourd des six types de quarks – varie en fonction de l'échelle d'énergie utilisée pour mesurer cette particule.

La théorie de la chromodynamique quantique, l'une des clés de voûte du Modèle standard, prédit cette variation (ou « running » en anglais) en fonction de l'échelle d'énergie, pour les masses de tous les quarks et pour la force forte, qui s'exerce entre ces particules. Le fait d’observer cette variation offre le moyen de vérifier la théorie de la chromodynamique quantique ainsi que le Modèle standard.

Des expériences menées au CERN et dans d'autres laboratoires ont déjà permis de mesurer la variation de la masse des quarks bottom et charme, qui sont respectivement le deuxième et le troisième quarks les plus lourds, et les résultats obtenus concordaient avec la théorie de la chromodynamique quantique. Pour tenter de mettre en évidence à présent la variation de la masse du quark top, la collaboration CMS a utilisé des données issues de collisions proton-proton de haute énergie qui se sont produites dans le Grand collisionneur de hadrons.

Les physiciens de CMS ont cherché à déterminer la fréquence de production de paires constituées d’un quark top et de son équivalent dans l'antimatière. Ils ont effectué ces mesures à trois échelles d'énergie différentes, comprises entre 400 GeV et 1 TeV, puis ont comparé les résultats obtenus avec les prédictions théoriques du taux de production de paires de quarks-antiquarks top. Ils ont ainsi pu en déduire la masse du quark top à ces trois échelles d'énergie.

Résultat ? La masse du quark top semble bel et bien s’éroder comme le prédisait la chromodynamique quantique – à savoir qu'elle diminue avec l'augmentation de l'échelle d'énergie. Toutefois, le résultat se fonde sur trois points de données expérimentaux seulement. En disposant de points de données supplémentaires et de prédictions théoriques améliorées, les équipes devraient pouvoir déterminer cette variation avec plus de précision.

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