Dans le cadre des mod`eles composites, le quark top est tr`es majoritairement composite et peut se coupler `a des quarks lourds du secteur fort. Le partenaire custodial, en particulier, est d’un grand int´erˆet. Quel que soit le quark lourd consid´er´e, il est possible d’en cr´eer une paire quark-antiquark par fusion de gluons et observer les produits de d´esint´egration. Lors de la d´esint´egration d’un T, B ou T5/3, un quark top peut ˆetre produit en association avec un W ce qui signifie qu’une production de paires de quarks lourds donne une paire t¯t avec deux W, c’est `a dire un ´etat final t¯tW+W−. Du fait de sa masse, le quark top se d´esint`egre via l’interaction faible en un boson W et un quark b dans presque 100% des cas. Le quark b peut quant `a lui s’hadroniser, tandis que le W peut donner : soit un lepton et un antineutrino de mˆeme saveur leptonique, soit une paire de quark-antiquark de
diff´erentes saveurs, comme illustr´e dans le diagramme Figure 4.8. Parmi les leptons possibles, le τ peut lui-mˆeme produire des quarks ou des e/µ, ce qui complique l’estimation de l’´etat final : dans les analyses pr´esent´ees dans cette th`ese, par lepton, on entend ´electron ou muon, venant ou non d’un τ .
Figure 4.8 – Diagramme de Feynman de d´esint´egration du quark top en boson W et en quark b.
Ainsi, la production de paires de T5/3 produit l’´etat final compos´e de 2 jets de b et, selon le ca- nal consid´er´e, entre 0 et 8 jets suppl´ementaires ainsi qu’entre 0 et 4 leptons accompagn´es d’´energie transverse manquante ; dans le cas de la production simple, c’est un peu diff´erent, avec toujours 2 jets de b, mais du fait qu’il n’y a que 3 W et un jet associ´e, selon le canal, il peut y avoir entre 1 et 7 jets additionnels et entre 0 et 3 leptons accompagn´es d’´energie transverse manquante. Ces ´etats finaux sont repr´esent´es dans la figure 4.9. Au vu du nombre de particules pr´esentes, il s’agit d’une topologie complexe et tr`es dense avec plusieurs caract´eristiques :
– pour des masses ´elev´ees, proche du TeV, la paire de T5/3 est produite au repos vu l’´energie disponible pour les gluons de l’´etat initial, ce qui peut donner des ´ev´enements dos `a dos, – la pr´esence d’un quark acc´el´er´e `a l’avant est constitutif de la production simple et pourrait
peut-ˆetre constituer un crit`ere de s´election,
– la d´esint´egration hadronique d’un T5/3 donne la possibilit´e de reconstruire le quark top, les W et finalement le quark exotique afin de remonter, en cas de d´ecouverte, `a sa masse et sa largeur, si la r´esolution en ´energie le permet,
– vu les masses mises en jeu, les quarks top issus des d´esint´egrations du T5/3 peuvent ˆetre tr`es acc´el´er´es et donner lieu `a l’apparition de topologies dites boost´ees, avec une superposition de
jets tr`es rapproch´es, qui n´ecessite une s´election ad hoc.
Les autres quarks composites poss`edent des chaˆınes de d´esint´egration un peu diff´erentes [25] :
– pour le doublet (T B), les modes de d´esint´egration sont : T → W+b, T → Zt et T → Ht
pour T et B → W−t, B → Zb et B → Hb pour B.
– pour le doublet (T5/3 T2/3) : T5/3→ W+t, T
2/3→ Zt et T2/3→ Ht.
– certains mod`eles [23] introduisent un doublet (B Y−4/3) o`u Y−4/3 est de charge -4/3, dans
ce cas les modes de d´esint´egration sont : Y−4/3→ W−b, B → Zb et B → Hb.
– ces doublets peuvent interagir entre eux, comme T → W−T5/3 ou B → W+Y
−4/3, mais ces
Figure 4.9 – Diagrammes de Feynman des deux modes de production inclusive du T5/3.
Ainsi, pour des processus de cr´eation de quarks composites donnant un ´etat final t¯tW+W− (ou
t¯tZZ), il est possible d’observer des canaux tr`es rares : c’est le cas du canal trileptonique, avec 3
W leptoniques et un W hadronique, ou du canal quadrileptonique l+l−l+l− et surtout du canal
2 leptons de mˆeme signe l±l± permis par la pr´esence de 2 W de chaque signe `a l’´etat final. Dans le canal semileptonique, avec un seul lepton, ainsi que dileptonique, sans s’int´eresser `a la charge de la paire de leptons cr´e´ee, ces processus exotiques donnent une signature similaire `a la cr´eation de paires de quarks top du Mod`ele Standard. Il s’agit du bruit de fond principal, produit avec une tr`es grande section-efficace dont il faudra s’abstraire.
Figure 4.10 – Diagramme de Feynman d’un ´ev´enement t¯t (gauche) et rapports de branchement des diff´erents ´etats finaux de la paire de tops (droite).
Un des moyens de s´eparer la production de t¯t de celle de T5/3T5/3 dans ces ´etats finaux `a 2 quarks top est de regarder le signe des leptons produits et de se placer dans le canal 2 leptons de mˆeme signe puisqu’une paire de quarks top ne peut produire que des leptons de signe oppos´es. De mˆeme, demander au moins 3 leptons est un moyen d’´eliminer les ´ev´enements t¯t. Le principal
probl`eme venant de la statistique de ces canaux, il est n´ecessaire de trouver un compromis entre la sensibilit´e d’un canal, en maximisant le rapport signal sur bruit, et entre l’efficacit´e de s´election du canal choisi. Un ´etat final similaire peut ˆetre produit dans les ´ev´enements comportant 4 quarks top : en effet les ´etats t¯tW+W− obtenus par un processus T5/3T5/3 et les ´etats t¯tW+W− donnent tout deux des signatures avec W+W−W+W−. La Table 4.1 r´esume les probabilit´es de diff´erents ca-
naux leptoniques pour deux types d’´etats finaux, `a deux tops (t¯t) ou `a quatre tops (t¯tt¯t et T5/3T5/3).
Table 4.1 – Rapports de branchement leptoniques pour des ´etats finaux `a 2 ou 4 quarks tops. Les
τ n’ont pas ´et´e pris en compte, le total ne fait donc pas 100%.
Canal Rapport 4 tops Rapport 2 tops
0 lepton 19.7 % 44.4 %
1 lepton 26.3 % 29.6 %
2 leptons 13.2% 4.9 %
dont mˆeme signe 4.4 % - et signes oppos´es 8.8 % 4.9 %
3 leptons 2.9 % -
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Ph´enom´enologie des ´ev´enements t¯tt¯t
La production d’´etats finaux `a 4 quarks top n’a pour le moment pas ´et´e observ´ee au LHC, en raison de sa faible section efficace. Pourtant, dans le cadre de diff´erents mod`eles exotiques ou supersym´etriques, des contributions de nouvelle physique peuvent se rajouter au processus du Mod`ele Standard et augmenter le nombre d’´ev´enements attendus [1, 2]. Le cas d’une r´esonance topophile g´en´erique, not´ee Z’, ainsi qu’une interaction de contact sont ´etudi´es dans ce chapitre [4]. Il s’agit d’´evaluer leur potentiel de d´ecouverte ainsi que celui du processus standard pp → t¯tt¯t,
dans diff´erents canaux leptoniques `a 13 et 14 TeV. Cette ´etude ph´enom´enologique [5] n’utilisant aucune simulation officielle d’ATLAS permettra d’identifier les coupures de s´election les plus ap- propri´ees pour rechercher des d´eviations au Mod`ele Standard et d’estimer la luminosit´e int´egr´ee n´ecessaire pour y ˆetre sensible. La reconstruction de quarks top est aussi d´ecrite pour ´etudier sa polarisation [3]. La production de 4 tops dans la configuration d’un acc´el´erateur proton-proton de
√
s = 100 TeV, tel que le Future Circular Collider (FCC), est bri`evement consid´er´ee.
5.1
Introduction
Les modes de production dominants des ´ev´enements `a 4 tops du Mod`ele Standard proviennent majoritairement d’une fusion de gluons et, dans moins de 10% des cas `a 14 TeV, d’une fusion de quarks. La section efficace totale attendue est de 15 fb, avec une incertitude provenant majoritaire- ment du choix des fonctions de distribution de partons (PDF). L’´etat final du processus t¯tt¯t poss`ede une topologie proche des ´etats finaux dans le cas d’une production de quarks composites lourds. En effet, la d´esint´egration de la paire de T5/3 donne W+W−W+W−bb alors que les ´ev´enements `
a 4 tops ´etudi´es ici donnent W+W−W+W−bbbb. En dehors de la multiplicit´e des jets de b, les signatures attendues sont ´equivalentes. Deux sc´enarios de nouvelle physique contribuant aux 4 tops du Mod`ele Standard sont ´etudi´es, en lien avec les mod`eles composites, illustr´es Figure 5.1 :
• la production g´en´erique d’une particule exotique lourde (gluon massif de Kaluza-Klein ou
r´esonance vectorielle composite) qui se couple uniquement aux quarks top, not´ee Z0, et dont la masse correspond `a l’´echelle d’´energie des r´esonances de la nouvelle physique.
• l’interaction de contact entre 4 quarks top composites dans l’hypoth`ese d’une ´echelle de masse de nouvelle physique trop grande pour ˆetre produite de mani`ere r´esonante au LHC ( TeV).
Figure 5.1 – Exemples de productions de 4 tops via un Z’ topophile et une interaction de contact.
Dans les mod`eles `a composition partielle, comme pr´esent´es au chapitre pr´ec´edent, les ´etats propres de masse correspondent `a une superposition entre les ´etats ´el´ementaires et les ´etats com- posites qui donne naissance aux particules du Mod`ele Standard et aux particules lourdes (ou exo- tiques). L’accent a ´et´e mis sur la composition partielle des quarks, en raison d’un int´erˆet croissant de la communaut´e et d’une multitude de recherches exp´erimentales des quarks exotiques (dont le
T5/3 fait partie), mais la version bosonique de ce m´elange est aussi pr´esente th´eoriquement [6]. Les bosons exotiques ρ∗ se couplent aux fermions du Mod`ele Standard avec une force donn´ee par :
ρ∗q ¯q ∝ g(sin2φ cot θ − cos2φ tan θ) (5.1)
o`u φ et θ sont les angles de composition du quark et du boson. Pour des quarks l´egers (φ ≈ 0), ce couplage est extrˆemement faible, il est donc possible de supposer que ces bosons ne se couplent qu’au quark top droit tR, pour lequel sin φtR ∼ O(1) (voir section 4.2.2 et [6] du Chap 4). Quelle
que soit la r´ealisation choisie pour ces bosons exotiques, cette r´esonance g´en´erique topophile Z0 mod´elise le ph´enom`ene de composition partielle du point de vue des bosons et permet de tester les mod`eles composites de mani`ere compl´ementaire aux recherches de quarks exotiques, comme celles d´ecrites pour le T5/3 dans les chapitres suivants.