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Le quark top est la particule la plus lourde dans le Modèle standard, ce qui veut dire que c'est celle qui a les liens les plus étroits avec le boson de Higgs. C'est pourquoi les quarks top se prêtent particulièrement bien à la recherche de signaux de la physique au-delà du Modèle standard.
Il y a différents moyens de produire un quark top. Le plus souvent, ces quarks sont observés dans des paires quark-antiquarks, mais occasionnellement ils sont observés isolément. D'après le Modèle standard, il est possible que quatre quarks top – à savoir deux paires quark-antiquark – soient produits simultanément. Le taux de production est cependant, d'après la théorie, 70 fois inférieur à celui de simples paires ; pour cette raison, ce processus est difficile à observer. Des indices de ce phénomène avaient été trouvés précédemment par ATLAS en 2020 et 2021 et par CMS en 2022. Cependant, à ce jour, il n'y avait pas eu d'observation du processus.
La production simultanée de quatre quarks top n'est pas seulement rare ; elle est aussi très difficile à détecter. Quand les physiciens recherchent un événement particulier, il cherchent sa « signature » : les propriétés des particules finales d'une désintégration. Ces traces finales donnent des indications sur les événements éphémères recherchés. Chaque quark top se désintègre en un boson W et un quark bottom. Le boson W se désintègre ensuite, soit en un lepton chargé et un neutrino, soit en une paire quark-antiquark. Autrement dit, la signature des événements à quatre quarks top est extrêmement variée, contenant entre zéro et quatre leptons, et jusqu'à 12 jets produits par les quarks. Il est donc compliqué de rechercher la signature de ce processus.
Pour la recherche de tels événements, ATLAS comme CMS ont utilisé des techniques innovantes d'apprentissage automatique permettant de construire les algorithmes qui sélectionnent les événements candidats à quatre top. Ces analyses utilisent la signature spectaculaire du processus, avec de multiples électrons, muons et jets (avec marquage des quarks bottom) pour séparer les événements à quatre top du bruit de fond dû à d'autres processus du Modèle standard ayant des taux de production supérieurs. Les deux expériences, ATLAS et CMS ont recherché des signatures d'événements contenant deux leptons ou plus.
La première observation directe de la production de quatre quarks top est une avancée majeure pour la connaissance de cette particule fascinante. Les deux expériences attendent avec impatience de poursuivre l'étude du phénomène avec les données de la troisième période d'exploitation du LHC.
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