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Une réaction à un seul quark top : un prélude à la découverte du Higgs ?

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Le Fermilab vient de se rapprocher un peu plus de la découverte du boson de Higgs. En observant lors de collisions entre protons et antiprotons une réaction produisant un seul quark top au lieu des paires quark-antiquark connues depuis 1995, les chercheurs sont désormais bien armés pour extraire de la masse des événements la preuve que la particule mythique du modèle standard existe bel et bien.

Un exemple de la réaction à un seul quark isolée dans le détecteur DO. Probablement selon le canal du schéma b. Le lepton détecté est un muon et 3 jets hadroniques ont été produits et enregistrés. Crédit : Fermilab

Comme Kobayashi et Maskawa l'avaient prédit dans leurs travaux sur la violation de la parité dans les interactions électrofaibles, on connaît 6 saveurs de quarks dans l'Univers pouvant porter 3 charges de couleurs différentes. Le dernier quark découvert en 1995 au Tevatron du Fermilab est le quark top.

De même que des photons gamma donnent lieux à la production de paires de positron-électron, les gluons (les photons de l'interaction forte produits lors de l'annihilation des quarks composants les protons et les antiprotons entrant en collision dans les détecteurs du Tevatron) peuvent produire des paires de quark-antiquark top.

Il s'agit d'un processus dominé par les interactions nucléaires fortes de la QCD. Moins intense, la force électrofaible permet, elle, des réactions où un seule quark top est produit.

Quelques dizaines de réactions de ce genre avaient déjà été détectées au Tevatron, comme il avait été annoncé en 2006, mais les résultats n'étaient pas encore suffisamment robustes pour convaincre toute la communauté scientifique. Néanmoins, l'observation des réactions avec un seul top quark avait bel et bien déjà été annoncée.

Une réaction électrofaible possible avec production d'un seul quark top. A gauche, une paire de quark-antiquark (q-q barre) s'annihile pour donner un boson électrofaible chargé W+. Ce dernier se désintègre en un quark top (rouge) et un antiquark beau (b-barre). Enfin, le quark top lui-même se désintègre en une paire lepton-neutrino plus un quark beau b. Crédit : Fermilab

Une chasse qui ressemble beaucoup à celle du Higgs

Les chercheurs du Fermilab s'occupant des détecteurs D0 et CDF ont continué à raffiner leurs méthodes d'analyses et à augmenter le nombre d'événements produits lors des collisions. Songez qu'il faut 20 milliards de collisions proton-antiproton pour observer une réaction avec un seul quark top ! Le tout étant noyé dans un océan d'autres particules découlant de réactions bien plus probables.

Mais le jeu en vaut la chandelle car le quark top, le plus lourd des quarks, puisque sa masse est environ 180 fois plus massive que celle d'un proton, est étroitement lié à la physique du boson de Higgs. En outre, la désintégration du quark top produit lors de ces réactions électrofaibles ressemble à celle du Higgs.

Une autre réaction électrofaible possible avec production d'un seul quark top. A gauche, c'est un quark q qui interagit avec un gluon g. Crédit : Fermilab

Si l'on est capable d'isoler le signal ultra-faible de cette réaction, alors on peut faire la même chose avec certains canaux de production et de désintégration du Higgs. De plus, il faut impérativement soustraire des réactions finales semblables à celles de la désintégration du Higgs la composante due au quark top.

Les deux collaborations CDF et D0 viennent de publier deux articles sur Arxiv montrant que le premier but a été atteint. Ce sont maintenant des centaines de réactions électrofaibles qui ont été observées et en particulier le rapport signal bruit est passé de 3,4 sigma à 5 sigma. En clair, alors qu'en 2006 il n'y avait que 0,035% de chance que les signaux mesurés soient des erreurs, on est maintenant passé à 2,5 10-7 !

De quoi convaincre définitivement les sceptiques et laisser penser que le Higgs découvert au Tevatron avant le LHC, cela pourrait bien arriver en 2010.

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