Les quarks et les leptons lourds

Dans le cadre du Modèle Standard, le quark top est le partenaire d'isospin faible du quark b. Il est le dernier des quarks à avoir été découvert au TeVatron avec une statistique accumulée de quelques centaines d'évènements seulement ce qui rend ses propriétés encore peu connues de manière directe à ce jour. Sa masse élevée permet d'envisager des couplages non-standard. Les mesures eectuées par les expériences D0 et CDF convergent vers une masse de 173.3±1.1 GeV/c2

[45]. Sa masse est proche de _√ν

2 où ν est la valeur du champ de Higgs dans le vide. Sachant que

pour des fermions, il a été démontré, dans le chapitre 1, que mF = νgF, on trouve facilement

Fig. 2.8  Nouvelles contraintes apportées par les expériences CDF et D0 sur la masse du Higgs en juillet 2010. La zone 160-170 GeV est désormais exclue [44].

celle des autres quarks, pourrait montrer que le quark top joue un rôle dans le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Le quark top a aussi une place à part dans plusieurs théories au-delà du Modèle Standard [46]. Dans certains modèles, le quark top possède des propriétés nouvelles. Dans le modèle introduisant la technicouleur (voir chapitre 1.9.1), il y a formation d'un condensat tt à cause de l'interaction attractive à 4 quarks top [47]. En projetant la valeur moyenne de l'état lié tt sur le vide : < 0|tLtR|0 >, on obtient une valeur non nulle ce qui entraîne

une brisure de SU(2)L×U (1)Y. Ce modèle est à l'heure actuelle, exclu puisqu'il prédit une valeur

de masse du quark top : mt≥ 220 GeV /c2[48]. Dans d'autres théories, la nouvelle physique peut

se manifester par le biais de résonances dans la production en paires : gg → X → tt. La particule intermédiaire peut être un boson de Higgs supersymétrique neutre [49].

Dans un collisionneur hadronique, le quark top peut être produit de deux façons :

 Par interaction forte. Par fusion de gluons ou par annihilation quark-antiquark (voir gure2.9). Il s'agit d'une production par paire top-antitop. C'est dans ce mode de produc- tion que le quark top a été découvert en 1995. Les calculs théoriques [50] ont montré qu'au LHC la section ecace de production est de 300 pb au premier ordre (LO) et de de 850 pb au second ordre (NLO) avec une incertitude de 10%. Au LHC, la contribution du processus gg → ttest dominante autour de 90% à cause de la domination des gluons devant les paires quark-antiquark de la mer, présentes dans chaque hadron dans cette gamme d'énergie. La production d'une paire qq ne peut se faire que lorsqu'un quark fusionne avec un antiquark de la mer ce qui est beaucoup plus rare que la fusion de deux gluons (contrairement au TeVatron où sont produites des interactions pp).

 Par interaction faible. A travers le vertex tWb, trois processus entrent en jeu (voir gure2.10). Dans ces trois cas, le quark top est produit en association avec un quark b. On parle de quark top célibataire et il est accompagné d'un quark b, d'un boson W ou d'un quark léger. Au LHC, la section ecace attendue est d'environ 300 pb dans les conditions nominales.

Fig. 2.9  Diagrammes de production de paires top-antitop par interaction forte.

Fig. 2.10  Diagrammes de production du quark top célibataire par interaction faible.

des bruits de fond importants. L'énergie nominale dans le centre de masse au LHC étant de 14 TeV, les sections ecaces de production du quark top seront cent fois plus élevées qu'au TeVatron. En eet quatre-vingt millions de paires tt et trente millions de quarks tops célibataires seront produit au LHC par an pour une luminosité nominale. Le tableau 2.3 répertorie les précisions que pourra apporter le LHC par rapport aux mesures antérieures. Une mesure très précise de la masse du quark top pourra être eectuée grâce aux désintégrations du quark top en W b ainsi qu'une mesure de la section ecace de production par paires d'une précision de près de 5% L'importante production de quarks top célibataires pourra améliorer la statistique sur leur section ecace de production suivant les trois modes. Enn l'étude de la section ecace de production de quarks top célibataires, proportionnelle à |Vtb|2, conduira à une estimation directe

de l'élément de matrice |Vtb|.

Précision attendue sur Propriétes Mesure actuelle les résultats du LHC

(dans les conditions nominales)

Masse 170.9 ± 1.8 ≤ 1GeV

σ(tt) 7.3 ± 0.9pb 5%

σ(top seul) 4.9 ± 1.4pb 13 à 21%

Vtb 20% 3%

2.6.2.2 Une quatrième famille de quarks et de leptons ?

Les expériences du LEP et du SLC ont démontré que seulement trois familles de neutrinos légers (mν < m₂Z) existent. Pourtant rien n'exclut l'existence de neutrinos lourds ou même d'une

quatrième génération de quarks et de leptons. Le LHC possède un grand pouvoir de découverte de ce type de particules dont l'existence est prédite par de nombreux modèles. Les dernières limites expérimentales concernant la quatrième génération donnent une masse des quarks et des leptons ml > 92.4GeV et une limite mν > 45GeV pour les neutrinos [51]. La gure 2.11 représente les

sections ecaces de production de quarks lourds pour une masse supérieure à 300 GeV pour des énergies dans le centre de masse de 7 TeV et 10 TeV (pp) ainsi que pour des collisions pp à 2 TeV pour le TeVatron. Ainsi près de 30000 évènements avec un quark de masse 600 GeV pourraient être produits, à basse luminosité, en une seule année.

Fig. 2.11  Section ecace de production de quark lourd en fonction de la masse du quark et de l'énergie dans le centre de masse [52]. La courbe bleue correspond aux conditions du TeVatron.