Les expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC) détectent quotidiennement des événements rares, mais certains sont exceptionnellement rares, comme ce dernier résultat de la collaboration CMS. Pour la première fois, la collaboration a observé la production d'un seul quark top ainsi que d'un boson W et Z, un processus extrêmement rare qui ne se produit qu'une fois tous les mille milliards de collisions de protons. Trouver cet événement dans les données du LHC, c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin de la taille d'un stade olympique.
La création d'un quark top, d'un boson W et d'un boson Z, connue sous le nom de production tWZ, ouvre une nouvelle fenêtre pour comprendre les forces fondamentales de la nature. En étudiant de près la production de tWZ, les physiciens peuvent étudier comment le quark t interagit avec la force électrofaible portée par les bosons W et Z.
De plus, le quark top est la particule fondamentale connue la plus lourde, ce qui signifie qu'il a la plus forte interaction avec le champ de Higgs. L'étude du processus tWZ pourrait donc nous permettre de mieux comprendre le mécanisme de Higgs. Cela pourrait également nous indiquer des signes de nouveaux phénomènes et d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
Cependant, observer la production de tWZ n’est pas facile. Non seulement il s’agit de l’un des processus du modèle standard les plus rares pouvant actuellement être observés au LHC, mais il est également très complexe à analyser. Ce processus ressemble beaucoup à un autre processus connu sous le nom de production ttZ, dans lequel un quark top et un anti-top sont produits avec un boson Z. Cette production de ttZ se produit environ sept fois plus souvent que la production de tWZ, ce qui signifie qu'il y a beaucoup de bruit de fond que les chercheurs doivent identifier.
« En raison de sa rareté et de sa similitude avec le processus ttZ, l'observation de la production de tWZ nécessite des techniques d'analyse avancées impliquant un apprentissage automatique de pointe », explique Alberto Belvedere, chercheur de la collaboration CMS à DESY. Grâce à leur algorithme d’apprentissage automatique, les chercheurs ont pu séparer le signal de la production tWZ des données de base. Les résultats sont disponibles sur le arXiv serveur de préimpression.
La collaboration CMS a constaté que le taux de production de tWZ était légèrement supérieur à celui prévu par la théorie. Les données et analyses futures permettront de déterminer s’il s’agit simplement d’une fluctuation statistique ou si cela pourrait être le premier indice de quelque chose au-delà des lois connues de la physique.
« S'il y a des interactions ou des particules inconnues impliquées, l'écart observé entre le taux mesuré (de production de tWZ) et la prédiction deviendrait rapidement plus grand avec l'augmentation des énergies des particules sortantes, un effet propre au processus tWZ », explique Roman Kogler, chercheur de la collaboration CMS à DESY.
Pour l’instant, la collaboration CMS a marqué la première observation d’un phénomène si rare qu’il ne se produit qu’une fois tous les mille milliards de collisions proton-proton. C'est un nouveau rappel de la capacité du LHC à découvrir les secrets les plus insaisissables de la nature.
