Imaginez un peu ce que signifie d'observer la production simultanée de quatre quarks top lors des milliers de collisions de protons par seconde dans le détecteur Atlas du LHC ! Chacun de ces quarks top se désintègre immédiatement en 1 quark b et 1 boson W sachant que, dans la foulée, le quark b se pare de pléthores de quarks et de gluons (qualifiés de jet hadronique) tandis que le boson W produit soit deux jets hadroniques soit 1 lepton et 1 neutrino. Détecter ces « signatures » parmi les milliards de particules issues des collisions, appelées bruit de fond, devient alors une prouesse. D'autant que l'évènement est très rare, 4000 fois plus rare que la production d'un boson de Higgs.
Cette prouesse, la collaboration Atlas vient de la réaliser. Elle a consisté à reprendre toutes les données enregistrées par Atlas entre 2016 et 2018 lors du « run 2 » du LHC, à savoir sa montée en énergie afin d'avoir accès à des évènements plus rares. L'analyse coordonnée par le CEA-Irfu a ainsi porté sur le fruit des collisions de protons à une énergie de 13 TeV. Certes, les physiciens avaient pu s'exercer auparavant sur ces mêmes données en 2020. Les statistiques acquises dans la détection de ces 4 quarks top ne leur avaient alors pas permis d'annoncer une observation. Mais ils avaient déjà pu mettre en évidence cette production qu'ils espéraient confirmer en 2025 lors du run 3, c'est-à-dire à une énergie de 13,6 TeV.
De l'IA pour distinguer le signal du bruit de fond
Ils n'auront pas à attendre cette échéance ! Tout s'est joué du côté de la qualité de l'identification des particules et des techniques d'analyse. Les équipes ont notamment mis au point une nouvelle technique d'estimation du bruit de fond principal comme l'explique Frédéric Déliot, chef du groupe Atlas à l'Irfu : « cette technique se base sur des régions de contrôle qui sont des zones proches de celle où l'on s'attend à voir les évènements recherchés, et qui permettent de comprendre les bruits de fond à exclure ». Et pour augmenter encore la distinction du signal des 4 quarks top et du bruit de fond, un algorithme d'intelligence artificielle plus sensible, appelé réseau de neurones graphiques (GNN), a été utilisé. Résultat : la collaboration a pu atteindre une signification statistique de production simultanée de 4 quarks top de l'ordre « 6,1 déviations standard », bien supérieure aux 5 déviations requises par la communauté scientifique pour pouvoir annoncer une observation. Il se trouve que le taux de production mesuré de cet évènement est 1,9 fois plus grand que la prédiction du modèle standard ; ce qui reste compatible avec lui du fait de la taille des erreurs sur la mesure.
Cela pourrait également être un signe intéressant adressé par la nouvelle physique. Le run 3 du LHC est donc à nouveau au rendez-vous pour préciser les analyses : « avec plus d'énergie, c'est-à-dire plus de données, les évènements sont moins rares et donc on s'attend à obtenir des erreurs plus petites sur la mesure », conclut le physicien qui indique que cette production de quatre quarks top a également été observée simultanément par CMS, autre expérience du LHC.