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.
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.