Le quark top est la plus lourde des particules fondamentales connues de l’Univers : sa masse est 184 fois supérieure à celle du proton. Des mesures précises de cette masse et de celle du boson de Higgs fournissent des informations cruciales sur les fondements théoriques du Modèle standard de la physique des particules. Elles permettent aux scientifiques d’améliorer la précision des calculs théoriques auxquels sont comparées les données expérimentales et de rechercher de nouveaux phénomènes de physique.
Pour la première fois, les collaborations ATLAS et CMS ont uni leurs forces pour mesurer avec précision inédite la masse du quark top. Le nouveau résultat obtenu, présenté lors du 16e atelier international sur la physique des quarks top, a été calculé en faisant une moyenne pondérée de 15 valeurs individuelles mesurées précédemment par ATLAS et CMS.
Ces 15 valeurs (six pour ATLAS et neuf pour CMS ‑ voir figure 2) s’appuient sur des échantillons de données issues de collisions proton-proton collectées par les deux expériences pendant la première période d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2011 et 2012.
Bien que les échantillons de données d’ATLAS et de CMS soient indépendants, les mesures effectuées ont des sources d’incertitude (systématique) communes. Il s’agit notamment de modélisations théoriques de la production et de la désintégration des quarks top ainsi que des processus relevant du bruit de fond qui les imitent, mais aussi de la présence de collisions multiples et simultanées qui influent de manière semblable sur les mesures des deux expériences, et d’une compréhension commune de la structure interne des protons en collision.
Pour combiner leurs mesures, les collaborations ATLAS et CMS doivent donc veiller à ne pas compter à double ces incertitudes partagées. Par exemple, les quarks top se désintègrent quasi systématiquement en un boson W et un quark bottom. Lors de ces désintégrations, le quark bottom produit un jet de particules caractéristique appelé « jet b ». L’énergie contenue dans ces jets b est estimée en se basant sur les mêmes simulations de productions de jets pour les deux expériences, ce qui entraîne des incertitudes systématiques communes pour les mesures de la masse du quark top par ATLAS et CMS dont il faut tenir compte pour le résultat final.
Après une étude approfondie de ces incertitudes communes, les équipes d’ATLAS et de CMS ont combiné leurs 15 mesures précédentes pour obtenir la valeur de la masse du quark top la plus précise jamais atteinte : 172,52 milliards d’électronvolts (GeV) avec une incertitude totale de 0,33 GeV (voir figure 2). Les scientifiques ont également examiné des combinaisons de mesures de la masse du quark top effectuées soit par ATLAS, soit par CMS. Celles-ci corroborent le nouveau résultat combinant les masses mesurées par les deux expériences et renforcent sa fiabilité.
