La collaboration CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a effectué la mesure la plus précise jamais réalisée de la masse du quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue. Le dernier résultat de CMS estime la valeur de la masse du quark top avec une précision d’environ 0,22 %. Le gain substantiel de précision provient de nouvelles méthodes d’analyse et de procédures améliorées pour traiter de manière cohérente et simultanée différentes incertitudes de mesure.
La connaissance précise de la masse du quark top est d’une importance primordiale pour comprendre notre monde à la plus petite échelle. Connaître le plus intimement possible cette particule élémentaire la plus lourde est crucial car cela permet de tester la cohérence interne de la description mathématique de toutes les particules élémentaires, appelée Modèle Standard.
Par exemple, si les masses du boson W et du boson de Higgs sont connues avec précision, la masse du quark top peut être prédite par le modèle standard. De même, en utilisant les masses du quark top et du boson de Higgs, la masse du boson W peut être prédite. Fait intéressant, malgré de nombreux progrès, la définition de la physique théorique de la masse, qui a à voir avec l’effet des corrections de la physique quantique, est encore difficile à cerner pour le quark top.
Et remarquablement, notre connaissance de la stabilité même de notre univers dépend de notre connaissance combinée des masses du boson de Higgs et du quark top. Nous savons seulement que l’univers est très proche d’un état métastable avec la précision des mesures actuelles de la masse du quark top. Si la masse du quark top était ne serait-ce que légèrement différente, l’univers serait moins stable à long terme, pouvant éventuellement disparaître lors d’un événement violent similaire au Big Bang.
Pour effectuer leur dernière mesure de la masse du quark top, en utilisant les données des collisions proton-proton LHC recueillies par le détecteur CMS en 2016, l’équipe CMS a mesuré cinq propriétés différentes d’événements de collision dans lesquels une paire de quarks top est produite, au lieu de les trois propriétés qui ont été mesurées dans les analyses précédentes. Ces propriétés dépendent de la masse du quark top.
De plus, l’équipe a effectué un étalonnage extrêmement précis des données CMS et a acquis une compréhension approfondie des incertitudes expérimentales et théoriques restantes et de leurs interdépendances. Avec cette méthode innovante, toutes ces incertitudes ont également été extraites lors de l’ajustement mathématique qui détermine la valeur finale de la masse du quark top, ce qui signifie que certaines des incertitudes ont pu être estimées avec beaucoup plus de précision. Le résultat, 171,77 ± 0,38 GeV, est cohérent avec les mesures précédentes et la prédiction du modèle standard.
La collaboration CMS a fait un bond en avant significatif avec cette nouvelle méthode de mesure de la masse du quark top. Le traitement statistique de pointe des incertitudes et l’utilisation de plus de propriétés ont considérablement amélioré la mesure. Une autre étape importante est attendue lorsque la nouvelle approche sera appliquée à l’ensemble de données plus étendu enregistré par le détecteur CMS en 2017 et 2018.
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