En 2017, au Grand collisionneur de hadrons, des protons sont entrés en collision à une énergie de 5,02 TeV. Le détecteur CMS a enregistré ces collisions, et parmi des milliards d'événements, les physiciens ont traqué un cas rare : la production d'un unique quark top sans son antiparticule. D'habitude, les quarks top apparaissent par paires — un quark et un antiquark ensemble, comme les deux faces d'une même pièce. Mais parfois, la nature fait une exception et ne produit qu'une seule face.
Pour attraper un tel cas, les scientifiques ont cherché des événements avec un électron ou un muon et plusieurs jets de particules, dont l'un révélait son origine par un quark b. Avec 302 picobarns inverses de luminosité intégrée (c'est comme le volume de données collectées), ils ont pu mesurer la probabilité du processus. Il s'avère que le quark top isolé est produit avec une section efficace de 17,6 picobarns, tandis que l'antiquark top isolé n'atteint que 6,6 picobarns. La différence est presque d'un facteur trois : la nature préfère clairement les quarks aux antiquarks, et c'est une asymétrie connue de longue date, liée à la structure de l'interaction faible.
À partir de ces nombres, les physiciens ont extrait une grandeur qui montre à quel point le quark top participe volontiers aux désintégrations faibles. Ils ont obtenu une valeur de 0,92 avec une incertitude d'environ 0,1. Cela concorde parfaitement avec les prédictions du modèle standard, calculées avec une grande précision. Donc, pour l'instant, tout se passe comme prévu, mais des mesures plus précises à d'autres énergies pourraient révéler des écarts qui indiqueraient de nouvelles particules ou forces.
La danse du quark top isolé à 5,02 TeV est désormais enregistrée pour la première fois. Les prochaines étapes : encore plus de données et d'autres énergies de collision, pour vérifier si cette danse ne se dérègle pas du rythme prescrit par la théorie.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.13592
The single top quark $$t$$-channel production cross section is measured in proton-proton collisions at the CERN LHC at $$\sqrt{s}$$ = 5.02 TeV, using data recorded with the CMS detector in 2017, corresponding to an integrated luminosity of 302 pb$$^{-1}$$, and resulting in the first CMS measurement of the process at that energy. Events with one electron or muon and two or more jets, among which at least one is identified as originating from a b quark fragmentation, are analyzed. The combined cross section of single top quark (tq) and single top antiquark ($$\mathrm{\bar{t}q}$$) production is $$\sigma_{\mathrm{tq+\bar{t}q}}$$ = 25.4$$^{+3.6}_{-3.5}$$ (stat) $$^{+4.2}_{-3.9}$$ (syst) $$\pm$$ 0.5 (lumi) pb. The individual cross sections are measured to be $$\sigma_{\mathrm{tq}}$$ = 17.6$$^{+2.8}_{-2.7}$$ (stat) $$^{+2.6}_{-2.4}$$ (syst) $$\pm$$ 0.3 (lumi) pb and $$\sigma_{\mathrm{\bar{t}q}}$$ = 6.6$$^{+2.4}_{-1.6}$$ (stat) $$^{+2.1}_{-2.5}$$ (syst) $$\pm$$ 0.1 (lumi) pb. Their ratio is measured to be $$\mathcal{R}_{\mathrm{t-ch}}$$ = 2.7$$^{+1.5}_{-0.8}$$ (stat) $$^{+1.3}_{-0.3}$$(syst). The absolute value of the Cabibbo$$-$$Kobayashi$$-$$Maskawa matrix element is found to be $$\lvert f_{\mathrm{LV}}V_\mathrm{tb}\rvert$$ = 0.92 $$\pm$$ 0.09 (exp) $$\pm$$ 0.01 (thy). The measurements are in good agreement with the standard model predictions at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics.
Le quark top est la particule élémentaire connue la plus lourde : il est plus lourd qu'un atome d'or, bien qu'il n'ait pas de taille.