Approche bottom-up pour les recherches dans le secteur du quark top au Grand Collisionneur de Hadrons – BATS@LHC

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions et fut établi il y a 50 ans. Ses prédictions sont en accord très précis avec les données expérimentales et seul le boson de Higgs échappe toujours à la détection. Cependant, le modèle a plusieurs points faibles au niveau théorique, ce qui suggère qu'il n'est en fait qu'une théorie effective à basse énergie obtenue depuis une théorie plus fondamentale qui doit être expérimentalement confirmée. Cela a mené à la conception de très nombreux modèles de nouvelle physique qui sont et devront être testés aux collisionneurs présents (et futurs) tel le LHC au CERN. Afin de mener à bien cette quête du successeur du Modèle Standard, les détecteurs ATLAS et CMS, ainsi qu'un détecteur spécialisé dans la physique du B, LHCb, explorent l'échelle du TeV. Depuis 2010, les collaborations ATLAS, CMS et LHCb ont publié plusieurs dizaines de résultats scientifiques et aucune déviation claire par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été observée. De plus, la plupart des théories au-delà du Modèle Standard, comme le Modèle Standard Supersymétrique Minimal, sont de plus en plus contraintes. Ainsi, une extension des recherches vers de nouveaux types de modèle est nécessaire.

Dans cette proposition de projet, nous nous préparons à investiguer la physique au-delà du Modèle Standard en prenant comme point de départ les signatures des états finaux produits au LHC. En suivant une approche de type bottom-up, des analyses phénoménologiques et expérimentales seront effectuées à l’aide de théories effectives des champs quantiques. Dans ce but, nous proposons de construire une plateforme d'analyse ou à la fois expérimentateurs et théoriciens ont un rôle à jouer, comme suggéré par l'approche dite « compréhensive » de la physique au-delà du Modèle Standard, proposée par l'un des auteurs de ce projet ANR. Dans cette dernière, toute théorie peut être construite, explorée au niveau phénoménologique et confrontée aux données, et ce de manière efficace. Le choix des signatures à étudier est induit par diverses contributions. Tout d'abord, la section efficace des signatures considérées doit être extrêmement faible dans le Modèle Standard de sorte que toute observation peut être directement liée à de la nouvelle physique. De plus, nous avons choisi de nous focaliser sur le secteur du quark top, qui est, en raison de sa masse élevée, la particule du Modèle Standard qui possède les propriétés les plus similaires à celles attendues pour une particule de nouvelle physique. De plus, les quarks top apparaissent, dans le cadre de très nombreux modèles, dans la désintégration des particules de nouvelle physique. Finalement, le fait de décider d'étudier les quarks top nous permet de bénéficier des différentes expertises en physique du quark top des expérimentateurs participant à cette proposition ANR. Cela couvre, entre autres, les leptons, les jets (incluant des techniques d'étiquetage des jets issus de quarks b) et l'énergie manquante. Comme la compréhension des mêmes objets physiques est suffisante pour l'étude de n'importe quels processus au-delà du Modèle Standard, nous pourrons par conséquent adapter le choix des signatures investiguées dans ce projet en fonction des futures découvertes du LHC, même si ces dernières ne sont pas directement liées à la physique du quark top, et les analyser dans le cadre de notre plateforme d’analyse.

Il est important de noter que la machinerie que nous souhaitons développer dans cette proposition sera utilisée pendant toute l'exploitation du LHC, prévue durant les 15 prochaines années, et même après l'arrêt de la machine, afin de procéder a des analyses plus poussées.