Recherche de nouvelle physique avec deux leptons de même signe / Search for new physics with two same-sign leptons
Mise en évidence de la production simultanée de quatre quarks top
Motivations
L’étude du quark top, particule élémentaire la plus massive, revêt une importance toute particulière dans la recherche d’une théorie au-delà du Modèle Standard. En effet, sa masse importante en fait un laboratoire d’étude avec une énergie naturellement élevée, où de nouveaux phénomènes pourraient apparaître. Au LHC, le quark top est copieusement produit par paire, mais peut également être produit par groupe de quatre avec un taux d’occurence beaucoup plus faible. Pour un million de paires de quark top produites, il y a environ 50000 bosons de Higgs produits, et seulement une dizaine de production de quatre quarks top. Ce processus n’est pas seulement extrêmement rare, il requiert aussi un minimum d’énergie de 4M
t. Par conséquent, la production de 4 quarks top est sensible à de nouvelles interactions à haute énergie impliquant le quark top (sous-structure du quark top, nouveau bosons de Higgs massif, etc...). La production de 4 quarks top est restée inobservée... jusqu’à récemment !
Challenges et implications de l’IN2P3
En plus d’être rare, ce processus est difficile à identifier car il implique une signature complexe dans le détecteur, sujette à plusieurs bruits de fond ayant diverses origines. Certains sont liés aux imperfections du détecteur et requièrent des techniques d’estimation dédiées, tandis que d’autres relèvent de processus rares, prédits par le Modèle Standard, mais qui sont encore assez mal connus. Ces considérations expliquent qu’il ait fallu attendre l’ensemble des données du Run II du LHC pour le mettre en évidence. Le groupe du LPC, travaillant dans la collaboration ATLAS au LHC, a été l’initiateur de la recherche de ce processus, il y a maintenant presque 10 ans, et a co-coordonné les différentes recherches de ce processus depuis les premières collisions du LHC, jusqu’à celle qui a conduit au résultat présenté ici.
Résultats
L’ensemble des collisions enregistrées entre 2015 et 2018 a permis de mettre en evidence ce processus rare pour la première fois. La stratégie employée pour atteindre ce but comporte deux grands volets, à savoir la discrimination entre le signal et le bruit de fond et l’estimation des bruits des fond (et les incertitudes associées). La production de quatre quarks top se traduit par un état final ayant - entres autres - un grand nombre de jets, signature expérimentale des quarks, dont quatre proviennent de quarks beau. D’autres propriétés, telles que l’énergie des jets detectés, ou l’angle d’ouverture entre les deux jets les plus proches, sont également exploitées pour construire une observable discriminante, à partir de laquelle la présence de signal est inférée. Le bruit de fond principal provient de la production d’une paire de quarks top, en association avec un boson lourd (W, Z ou boson de Higgs) et un ou plusieurs quarks beau.
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La figure ci-contre représente la distribution du nombre de jets identifiés comme provenant de quarks beaux : le signal (histograme rouge) est principalement présent dans les événements avec au moins 3 jets de quarks beaux, tandis que le bruit de fond (histogrammes colorés) est quasi inexistant pour 4 jets (ou plus) de quarks beaux. Les données observées (histogramme noir) montre clairement l’existence de la production de quatre quarks top. La section efficace mesurée est de 24+7-6 fb, correspondant à une signification statistique de 4,3 déviations standards, lorsque le Modele Standard prédit 2,3 déviations standards. Cette mesure permet de tester le Modèle Standard dans une zone encore inexplorée jusqu’alors, avec une légère tension qui nécessite d’attendre les données du Run 3 pour déterminer si un phénomène nouveau se cache derrière ce processus rare.
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| Collision candidate pour la production de 4 quarks tops dans l’expérience ATLAS. Deux des quarks top se désintègrent en hadrons et les deux autres, en leptons (ici un électron et un muon). On distingue 7 jets (représentés ici par des cônes) dont
4 sont identifiés comme provenant d’un quark beau (cônes bleus), signature typique du signal. La ligne rouge représente un muon traversant le détecteur, tandis que la ligne en vert clair
représente un électron arrêté par le calorimètre.
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Autres ressources
Evidence for the simultaneous production of four top quarks events
Motivations
The study of the top quark, the most massive elementary particle, is of particular importance in the search for a theory beyond the Standard Model. Indeed, its large mass makes it a laboratory of study with a naturally high energy, where new phenomena could appear. At the LHC, the top quark is copiously produced in pairs, but can also be produced in groups of four with a much lower rate. For every million pairs of top quarks produced, there are about 50,000 Higgs bosons produced, and only ~10 production of four top quarks. This process is not only extremely rare, it also requires a minimum of 4M
t of energy. Therefore, the production of 4 quark tops is sensitive to new high energy interactions involving the quark top (quark top substructure, new massive Higgs bosons, etc ...). The production of 4 top quarks remained unobserved... until recently !
Challenges and implication from LPC
In addition to being rare, this process is difficult to identify because it involves a complex signature in the detector, subject to several background noises of various origins. Some are related to detector imperfections and require dedicated estimation techniques, while others are rare processes, predicted by the Standard Model, but are still rather poorly known. These considerations explain why it was necessary to wait for the LHC Run II dataset to finally see this rare and difficult process. The LPC group, working in the ATLAS collaboration at the LHC, was the initiator of the research of this process, almost 10 years ago now, and has co-coordinated the different researches of this process from the first collisions of the LHC, to the one that led to the result presented here.
Results
The total number of collisions recorded between 2015 and 2018 allows to see this rare process for the first time. The strategy used to achieve this goal has two main components, namely signal/background discrimination and background estimation (and associated uncertainties). The production of four top quarks results in a final state having - among others - a large number of jets, experimental signature of quarks, four of which come from bottom quarks. Other properties, such as the energy of the detected jets, or the opening angle between the two closest jets, are also exploited to build a discriminant observable, from which the presence of a signal is inferred. The main background comes from the production of a pair of top quarks, in association with a heavy boson (W, Z or Higgs boson) and one or more bottom quarks.
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The figure on the left represents the distribution of the number of jets identified as coming from bottom quark: the signal (red histogram) is mainly present in events with at least 3 b-jets, while the background (coloured histograms) is almost non-existent for 4 (or more) b-jets. The observed data (black histogram) clearly shows the existence of the production of four top quarks. The measured cross-section is 24+7-6 fb, corresponding to a statistical significance of 4.3 standard deviations, when the Standard Model predicts 2.3 standard deviations. This measurement allows the Standard Model to be tested in an unexplored area, with a slight tension that requires waiting for the data from Run 3 to determine whether a new phenomenon is behind this rare process. |
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Collision candidate for the production of 4 top quarks in the ATLAS experiment. Two of the top quarks decay into hadrons and the two others decay into leptons (here an electron and a muon). There are 7 jets (represented here by cones), 4 of which are identified as coming from a bottom quark (blue cones), typical signature of the signal. The red line represents a muon passing through the detector, while the light green line represents an electron stopped by the calorimeter. |
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Other resources
Recherche dédiée à la production standard de 4 quarks top (début)
Le Run 2 du LHC s'est conclu par un échantillon de données sans précédent, repésentant 140/fb pour l'expérience ATLAS. Dans ce contexte, la première observation de la production de quatre quarks top prévue par le Modèle Standard devient possible. Il est nécessaire cependant de combiner plusieurs canaux de désintégrations et non seulement ceux ayant deux leptons de même charge électrique. Un premier travail dans lequel le groupe s'est impliqué est la combinaison des quatre canaux suivants pour les analyses basées sur les données 2015+2016: 1 lepton, 2 leptons de charge opposées, 2 leptons de même charge et trois leptons. La figure ci-dessous montre les resultats de cette combinaison publiée dans
PRD 99, 052009 (2019).
Le travail en cours sur cette activité porte sur l'analyse conjointe des quatre canaux sur les 140/fb afin de mettre en évidence pour la première fois ce processus.
Nouveaux résultats à 13 TeV
De nouveaux résultats sont disponibles pour l'analyse des données à 13 TeV enregistrées en 2015 et 2016, aussi bien dans la recherche d'événements contenant quatre quarks top que deux quarks top de même signe. Tous les résultats sont sur
cette page.
Nouveauté par rapport aux résultats précédents
L'analyse des collisions ayant deux leptons de même charge électrique est sensible à différents processus nouveaux, qu'ils soient prédits par le Modèle Standard ou non. Les derniers résultats obtenus s'inscrivent dans la continuité des recherches effectuées d'abord dans des collisions proton-proton à 8 TeV (Run 1 du LHC) puis à 13 TeV avec les données enregistrées en 2015 uniquement. Ces nouveaux résultats exploitent en fait 10 fois plus de données puisqu'ils reposent sur les collisions enregistrées en 2015 et en 2016. Par ailleurs, de nouveaux modèles, non inclus dans la version précédente, sont étudiés dans cette nouvelle publication :
- la production exotique de paire tt, avec son interprétation dans le cadre d'un modèle de matière noire;
- la production de quatre quarks top provenant d'un boson de Higgs additionel, prédit dans certaines théories.
Tester les prédictions du Modèle Standard
La recherche de phénomènes nouveaux repose toujours sur le même principe, à savoir la détection d'un excès de collisions par rapport à la prédition du Modèle Standard. En ce sens, toute recherche représente également un test de la théorie actuellement admise. La figure 1 montre l'accord entre prédiction (histogrammes colorés) et observations (points noirs) pour les régions cinématiques utilisées dans la recherche. Malgré un excès modéré, les observations sont compatibles avec les prédictions. Cela signifie que l'effet de phénomène nouveaux, s'ils existent, est suffisamment faible pour échapper à notre observation. On dérive alors des contraintes sur les modèles exotiques étudiés.
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| Figure 1 |
Contraindre d'éventuels phénomèmes nouveaux
Trois classes de phénomèmes nouveaux sont considérés :
- la production de nouveaux fermions lourds, appelés vector-like quarks, prédits par plusieurs théories,
- la production simultanée de quatre quarks top (standard et exotique),
- la production d'une paire de quarks top de même charge électrique.
Vector-like quarks
Ces fermions s'ils existent peuvent êtres produits au LHC et détectés dans l'état final étudié. Suivant leur masse et leur mode de désintégration (appelé rapport d'embranchement), ils seront détectables (et donc exclus) plus ou moins facilement. La figure 2(a) montre la production et la désintégration de ces fermions lourds tandis que la figure 2(b) montre la limite inférieure sur la masse que peuvent avoir ces particules en fonction de leur mode de désintégration.
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| Figure 2a | Figure 2b |
Ce résultat est inclus dans une
combinaison plus générale impliquant sept autres analyses menées dans ATLAS. Les vector-like quarks, s'ils existent, ont une masse supérieure à 1.3 TeV, et ce quelque soit leur mode de désintégration.
Production de quatre quarks top
La production de quatre quarks top est prédite par le Modèle Standard, mais est si faible qu'elle n'a encore jamais été observée. Par ailleurs, plusieurs théories prédisent une production bien plus importante de ce processus qui pourrait - si ces théories sont réalisées - être observé plus facilement. Les figures 3(a) et 3(b) montrent un exemple de production faisant intervenir un boson de Higgs supplémentaire et les contraintes que les données observées imposent sur les paramètres du modèle.
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| Figure 3a | Figure 3b |
Production de quarks top de même signe et matière noire
La production de deux quarks top de même charge électrique est fortement supprimée dans le modèle standard. Dans l'analyse des collisions à 8 TeV, un modèle avec un boson de Higgs violant la saveur leptonique a été étudié. Dans cette version de l'analyse, un modèle de matière noire couplée au quark top a été considéré. L'idée principale exploitée ici est la complémentarité entre état final avec et sans matière noire pour mieux cerner ce qu'est cette hypothétique matière grâce aux collisionneurs de particules. En effet, les modifications minimales à apporter au Modèle Standard pour décrire la matière noire sont l'ajout de deux champs, l'un étant la matière noire elle-même et l'autre étant le médiateur véhiculant la faible interaction entre la matière noire et la matière ordinaire.
Dans le cas présent, la désintégration du médiateur peut se faire en matière noire - conduisant à l'état final t+mET - ou en matière visible - conduisant à un état final tt+X. La figure 4(a) montre comment la production du médiateur et les deux désintégrations possibles s'effectue en collision proton-proton. La figure 4(b) montre les contraintes obtenues sur la constante de couplage entre médiateur et matière ordinaire en fonction du taux de désintégration du médiateur en matière noire. Cette analyse permet de devenir sensible au modèle pour une désintégration en matière noire faible (<25%), là où l'état final t+mET perd sa sensibilité.
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| Figure 4a | Figure 4b |
Search for new physics in events containing four top quarks (13 TeV)
Several models beyond the Standard Model (top compositeness, extra dimensions, ...) predict the production of very spectacular events that
contain four top quarks (tt̄tt̄). Since these events contain two top quarks of the same charge (tt or t̄t̄), they can produce
two leptons of the same charge, if both quarks decay semi-leptonically. Under some circumstances, newly predicted vector-like quarks would also
produce two leptons of the same charge. After analysing the LHC data recorded by Atlas in 2015 and 2016 (at 13 TeV), no event containing four
top quarks has been observed, hence several limits have been set on the various models (see below).
News results can be found on this page.
Recherche de signes de nouvelle physique dans les événements à quatre quarks top (13 TeV)
Motivations
Notre compréhension de la physique à l'échelle des particules élémentaires se résume aujourd'hui à un ensemble de
lois relativement simples, regroupées dans ce que l'on appelle le Modèle Standard. Bien que cette théorie permette
de décrire une très grande variété de phénomènes avec précision, nous savons qu'elle est incomplète. Les physiciens
cherchent donc des signes de phénomènes nouveaux pouvant apparaître, notamment, dans des collisions de particules à
haute énergie comme celles du LHC. La particule la plus lourde connue à ce jour, le quark top, est relativement
singulière et joue probablement un rôle particulier dans d'hypothétiques phénomènes au-delà de notre compréhension
actuelle, le Modèle Standard.
Modèles et stratégie expérimentale
L'équipe ATLAS du LPC s'est concentrée sur l'étude de collisions ayant deux leptons de même charge électrique (ou
trois leptons) ainsi que des jets provenant de quark bottom. Cette signature est sensible à plusieurs types de
phénomènes nouveaux.
Le premier consiste en la production de quatre quarks top à travers une interaction de contact modélisant n'importe
quel type de nouvelle interaction entre quarks top, tant que celle-ci se manifeste à une énergie suffisamment grande
devant celle des collisions étudiées (cf Fig 1). Il existe également des modèles basés sur des dimensions d'espace
supplémentaires compactifiées, où le taux de production des quatre quark top est directement relié à la taille
typique des dimensions supplémentaires (ou l'échelle d'énergie associée).
Le second type de phénomène nouveau pouvant apparaître dans ces collisions est la production d'une nouvelle classe
de particules, appelée vector-like quark. Ces particules, ingrédients naturels dans de nombreuses théories, peuvent
se désintégrer en quark top et un boson du Modèle Standard (Fig. 2), conduisant alors à l'état final étudié.
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| Figure 1: production de quatre quarks top. | Figure 2: production de vector-like quarks. |
Résultats
Le nombre de collisions observées est compatible avec la prédiction du Modèle Standard et si un nouveau phénomène
existe, il doit être suffisamment faible pour échapper à notre analyse. On déduit, de cette manière, des limites sur
les modèles étudiés permettant ainsi de réduire le nombre de possibilités quant aux phénomènes au-delà du Modèle
Standard.
La masse typique des vector-like quarks doit être supérieures à 0.8 - 1 TeV, selon les scénarios considérés (Fig 3).
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| Figure 3: limites sur la production de vector-like quark. |
L'interaction de contact entre quarks top, si elle existe, doit apparaître à une échelle d'énergie Λ avec une
constante de couplage C tel que C/Λ
2 < 3.5 TeV
-2. La Figure 4 montre les paramètres du modèle qui sont exclus
par cette étude, ainsi que le progrès obtenu entre l'étude des collisions à 8 TeV (Run 1) et celle à 13 TeV (Run 2).
De la même manière, une contrainte est obtenue sur la taille typique des dimensions supplémentaires dans le cadre du
scénario étudié ici, qui doit être plus petite que un dix-millième de la taille du proton (correspondant à une masse de 1.4 TeV, Fig 5).
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| Figure 4: limites sur le modèle d'interaction de contact. | Figure 5: limites sur les dimensions supplémentaires. |
La Figure 6 montre une collision enregistrée qui passe l'ensemble des critères de sélections. Il y a deux électrons
(traces bleues) déposant leur énergie dans le calorimètre électromagnétique (en vert) et un muon isolé (trace rouge).
Trois jets provenant de quark bottom sont matérialisés par les cônes bleu clair, dont un contenant un muon non-isolé
(trace rouge dans le cône bleu).
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| Figure 6: exemple de collision avec deux leptons de même signe. |
Ces recherches ont été co-financées par la Région Auvergne.
Recherche de production anormale de paires top-top (8 TeV)
Dans le Modèle Standard, la production d'événements avec deux quarks top (tt) est rarissime,
alors que la production de paires top-antitop (tt̄) est abondante. Ainsi, une observation
de production anormale de paires tt pourrait être le signe de la présence de nouvelle
physique. La signature la plus efficace pour observer des paires tt est de chercher des
événements contenant deux leptons positifs,
provenant des désintégrations t→bW+
puis W+→e+/μ+ ν (le signe du lepton permettant de
connaître la charge électrique du top, lepton positif pour un top, négatif pour un anti-top).
Modèles étudiés
Trois modes de production ont été étudiés :
- la production via une interaction de contact contenant quatre quarks top (uu→tt), qui proviendrait
d'un échange d'une nouvelle particule extrèmement massive (donc ne pouvant être produite directement
au LHC);
- la production en passant par un échange en voie t du boson scalaire découvert au LHC en 2012 (avec
une masse de 125 GeV), en supposant qu'il peut coupler le quark up au quark top;
- la production en passant par un échange en voie t d'un nouveau boson scalaire similaire au boson de
Higgs mais avec une masse plus élevée et permettant un couplage entre le quark up ou le quark charmé
et le quark top.
Les deux derniers modes impliquent l'existence d'un couplage FCNC (
Flavour Changing Neutral Current),
ce qui n'est pas indispensable dans le premier mode. Ces deux derniers modes peuvent être représentés par le
diagramme ci-dessous et ont été modélisés par le
modèle TFCNC.
Résultats
Dans le cadre du modèle avec une interaction de contact, les limites sur les constantes de couplage C en fonction
de l'échelle de nouvelle physique Λ sont représentées sur les figures ci-dessous, pour les trois
combinaisons possibles de chiralité (left-left, left-right, right-right).
Dans le cadre du modèle TFCNC, deux limites différentes peuvent être extraites, en fonction de la
masse du boson scalaire échangé :
- pour un boson de masse 125 GeV (celui découvert en 2012), la limite obtenue est sur la
désintégration anormale du quark top, soit BR(t→uH) < 1%;
- si le boson a une masse supérieure à la masse du quark top, il n'y a aucun effet sur la
désintégration de ce quark et la limite est exprimée en fonction des paramètres du modèle
sur la figure ci-contre.
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Documents →all
- JHEP 11 (2021) 118 (arXiv:2106.11683): Measurement of the tt̄tt̄ production cross section in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- ATLAS-CONF-2021-013: Measurement of the tt̄tt̄ production cross section in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- L. Rustige: Ph.D. thesis: First evidence of standard model pp→tt̄tt̄ production and performance studies of the ATLAS tile calorimeter for HL-LHC (co-tutelle avec Technische Universität Dortmund), directed by R. Madar, K. Kröninger (TUD)
- EPJC 80 (2020) 1085 (arXiv:2007.14858): Evidence for tt̄tt̄ production in the multilepton final state in proton-proton collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- ATLAS-CONF-2020-013: Evidence for tt̄tt̄ production in the multilepton final state in proton-proton collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- Phys. Dark Univ. 26 (2019) 100371 (arXiv:1507.00966): Dark Matter Benchmark Models for Early LHC Run-2 Searches: Report of the ATLAS/CMS Dark Matter Forum
- R. Madar: Habilitation thesis: Etudes de la troisième génération
- JHEP 05 (2019) 142 (arXiv:1903.01400): Constraints on mediator-based dark matter and scalar dark energy models using √s=13 TeV pp collision data collected by the ATLAS detector
- PRD 99, 052009 (2019) (arXiv:1811.02305): Search for four-top-quark production in the single-lepton and opposite-sign dilepton final states in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- JHEP 12 (2018) 039 (arXiv:1807.11883): Search for new phenomena in events with same-charge leptons and b-jets in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- ATLAS-CONF-2016-032: Search for new physics using events with b-jets and a pair of same charge leptons in 3.2 fb-1 of pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector
- JHEP 10 (2015) 150 (arXiv:1504.04605): Analysis of events with b-jets and a pair of leptons of the same charge in pp collisions at √s=8 TeV with the ATLAS detector
- D. Simon: Ph.D. thesis: Recherche de Nouvelle Physique dans les événements à quatre quarks top avec le détecteur ATLAS auprès du LHC, directed by E. Busato, D. Calvet
- E. Dubreuil: Ph.D. thesis: Recherche d'évènements à deux quarks top de même charge avec le détecteur ATLAS. Etalonnage du calorimètre hadronique d'ATLAS avec un système laser
(co-financement de la Région Auvergne)
, directed by D. Boumediene, D. Pallin
- L. Valéry: Ph.D. thesis: Recherche de sgluons dans des états finals multitops avec le détecteur ATLAS auprès du LHC à √s=8 TeV, directed by S. Calvet, P. Gris
- D. Paredes Hernandez: Ph.D. thesis: Search for New Physics in events with 4 top quarks in the ATLAS detector at the LHC, directed by D. Calvet
- ATLAS-CONF-2013-051: Search for anomalous production of events with same-sign dileptons and b jets in 14.3 fb-1 of pp collisions at √s=8 TeV with the ATLAS detector
- JHEP 04 (2013) 043 (arXiv:1212.3360): Searching for sgluons in multitop events at a center-of-mass energy of 8 TeV
- ATLAS-CONF-2012-130: Search for exotic same-sign dilepton signatures (b' quark, T5/3 and four top quarks production) in 4.7 fb-1 of pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector
- arXiv:1203.1488: Les Houches 2011: Physics at TeV Colliders New Physics Working Group Report
| Last update on 2024-01-11 |
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