Source-receptor relationships for surface ozone

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Chapter 4 Global and Regional Modelling

4.2. Quantifying intercontinental transport of ozone and precursors

4.2.5. Source-receptor relationships for surface ozone

des masses mesurées du boson W et du quark top dans le cadre du Modèle Standard, comme montré sur la Figure4.4.

4.2.2.2 Recherche auprès du Tevatron

Le collisionneur p¯p Tevatron est construit au Fermilab et démarre en 1988 avec l'expérience CDF (bientôt rejointe par D0) avec une énergie dans le centre de masse de 1.8 TeV, ce qui en fait le premier accélérateur de particules capable d'atteindre l'échelle du TeV. A cette énergie, le mode dominant de production de quarks top est la production de paires de quarks top par interaction forte. Après deux ans de fonctionnement, l'expérience CDF exclut une masse de quark top inférieure à 91 GeV/c2 [61].

Une seconde prise de données commence en 1992 au Tevatron à plus haute luminosité avec les deux expériences présentes, CDF et D0. De nouvelles limites inférieures sont établies jusqu'en 1994. En 1995, guidés par les mesures indirectes eectuées au LEP et à SLC, les collaborations CDF et D0, avec respectivement 50 pb−1 et 67 pb−1 de luminosité publient leur première observation du quark top. L'expérience CDF donne une masse de quark top, mtop = 176 ± 8 ± 10 GeV/c2 [13], et D0, mtop= 199 ± 20 GeV/c2 [12]. La Figure4.5montre l'évolution dans le temps des prédictions faites grâce aux mesures de précision du LEP et du SLC ainsi que les mesures directes obtenues auprès de CDF et D0.

De nombreuses études ont été menées au Tevatron permettant d'atteindre une précision de l'ordre de 1 GeV sur la masse du quark top en 2010. Au cours de l'année précédente, un nouveau collisionneur p-p démarrait au CERN, le LHC. Atteignant une énergie dans le centre de masse de 7 TeV en 2010, l'observation du quark top auprès des expériences CDF et D0 a été conrmée à l'été de la même année en faisant la première observation auprès d'un collisionneur autre que le Tevatron [63,64].

4.3 Propriétes du quark top dans le Modèle Standard

A l'exception de sa masse et de ses canaux de désintégration, les propriétés du quark top sont actuellement mesurées avec de grandes incertitudes. Cette section détaille donc les propriétés connues du quark top. Du fait du rôle central de la masse dans la physique du top, nous commencerons par discuter ce paramètre.

4.3.1 Masse

La masse du quark top n'est pas prédite par le Modèle Standard mais reliée à celles des autres particules fondamentales par les corrections radiatives.

Le quark top ne se désintègre pas avant hadronisation et peut être modélisé comme étant un fermion nu hautement instable. Il est alors possible d'appliquer le concept de masse au pôle. Celle-ci est dénie comme étant la partie réelle du pôle du

72Chapitre 4. Phénoménologie des processus de création de paires t¯t auLHC

Fig. 4.5  Evolution de la mesure de la masse du quark top depuis 1989 [62]. Les losanges représentent les prédictions provenant des mesures de précision du Modèle Standard. Les triangles sont les mesures directes des expériences CDF et D0. Les carrés représentent les moyennes mondiales des mesures directes. Les courbes représentent les limites inférieures obtenues auprès des collisionneurs e+e (ligne pleine) et des collisionneurs hadroniques (lignes pointillées). Cette gure s'arrête en 2003 et n'inclut donc pas les mesures directes de la masse du quark top obtenues auprès d'ATLAS et CMS.

4.3. Propriétes du quark top dans le Modèle Standard 73

Top-Quark Mass [GeV]

m

t

[GeV]

160 170 180 190 χ2/DoF: 6.1 / 10 CDF 173.0 ± 1.2 D∅ 174.2 ± 1.7 Average 173.3 ± 1.10 LEP1/SLD 172.6 172.6 + 13.3 10.2 LEP1/SLD/mWW 179.2 179.2 + 11.5 8.5 July 2010

Fig. 4.6  Evolution de la précision sur la masse du quark top.

propagateur St(p) du quark. Un quark n'est pas observable directement du fait du principe de connement, son propagateur complet n'a donc pas de pôle. Cependant, à un ordre ni de la théorie des perturbations, le propagateur du quark top a un pôle de valeur complexepp2= mt− iΓt

2, où mt est la masse au pôle du quark top et Γt sa largeur de désintégration. On interprète généralement la masse du quark top mesurée expérimentalement comme étant sa masse au pôle dans cette dénition du terme.

On peut aussi dénir la masse renormalisée ¯mq(µ), où µ est l'échelle de renormali-sation. La relation entre masse renormalisée et masse au pôle est connue en QCD jusqu'à O(α3

s), où αs est la constante de couplage de la QCD. L'évaluation de cette relation à l'ordre µ = ¯mt donne :

¯ mt( ¯mt) = mt(1 + 4 3 αs π + 8.2364( αs π ) 2+ 73.638(αs π ) 3+ O(α4s))−1

En prenant αs = 1.109, on obtient mt/ ¯mt = 1.06. Cette relation signie que la masse renormalisée est inférieure de 10 GeV/c2 à la masse au pôle. Pour mt = 171 GeV/c2, la masse renormalisée sera donc égale à 161 GeV.

La dernière mesure fournie par le Tevatron [65], en combinant les résultats de D0 et CDF, donne une masse de quark top de

mt= 173.3 ± 0.6 ± 0.9 GeV/c2

La Figure 4.6 montre la précision actuelle sur la masse du quark top à partir des mesures directes.

A basse luminosité et avec quelques fb−1 de données, le LHC prévoit une préci-sion de 2 GeV sur la masse du quark top. Cette valeur pourra être améliorée à haute

74Chapitre 4. Phénoménologie des processus de création de paires t¯t auLHC luminosité en utilisant la désintégration semileptonique de la paire t¯t. Dans le cas où le jet issu de quark b leptonique se désintègre en J/Ψ, la masse du quark top est fortement corrélée à la masse invariante mJ/Ψ. Une mesure de la masse du quark top selon ce principe permet d'éliminer les incertitudes systématiques provenant de l'échelle en énergie des jets. En combinant la mesure standard à cette méthode, le LHC prévoit d'atteindre une précision sur la masse du quark top de l'ordre du GeV.

4.3.2 Temps de vie

Du fait de sa masse particulièrement élevée, le quark top peut se désintégrer selon le mode t → bW+. Le Modèle Standard prédit que le quark top se désintègre presqu'exclusivement dans ce canal. Ceci conduit à une estimation du temps de vie moyen du quark top de l'ordre de τt= Γ1t = 5 × 10−25s. Pour comparaison, le temps de vie moyen du quark b lui est supérieur de près de 13 ordres de grandeur. Le temps moyen d'hadronisation est déni comme τhad = 1

ΛQCD ≈ 3 × 10−24 s, il caractérise le temps nécessaire à un (anti)quark pour interagir avec d'autres (anti)quarks et former des hadrons. Le temps de vie moyen du quark top étant inférieur au temps d'hadronisation, il est impossible de former des mesons t¯q ou des baryons tqq0. Plus spéciquement, cette propriété interdit la formation de toponium

t¯t. Une bonne illustration est la création de paire t¯t au Tevatron ou au LHC. Le parcours moyen des quarks t ou ¯t depuis leur vertex de création jusqu'à leur dés-intégration est de l'ordre de 0.1 fm, alors que la taille typique d'un hadron est de l'ordre de 1 fm. A des distances inférieures à 0.1 fm, les interactions fortes entre t et ¯t sont faibles. Le quark top se comporte donc comme une particule hautement instable qui ne se couple que par interaction faible.

La valeur de la largeur de désintégration du quark top, prédite par le Modèle Stan-dard, est Γt = 1.29 GeV [66]. Cette propriété ne peut pas être vériée dans les collisionneurs actuels car la résolution expérimentale des collisionneurs hadroniques est bien supérieure à cette valeur. Il existe cependant des méthodes indirectes qui permettent de mesurer ce paramètre à partir de l'étude des sections ecaces de production des paires t¯t et de quark top célibataire.

4.3.3 Spin

Aucune étude dédiée n'a mesuré le spin du quark top au Tevatron. Cependant, les taux de production estimés donnent de sérieux indices quant à sa valeur. Dans le canal de désintégration observé, t → bW , les spins connus du boson W et du quark b ainsi que la conservation de l'impulsion angulaire globale impliquent que le quark top est un fermion. De même, si son spin était 3/2, la section ecace des paires t¯t serait très supérieure à celle mesurée [67].

Les performances du LHC peuvent permettre une mesure indirecte du spin du quark top. Une méthode serait l'observation de la polarisation résultante et des eets de corrélation de spin dans ses produits de désintégration, ceci à travers leurs corréla-tions angulaires [68,69]. Une autre méthode de mesure serait l'étude de la section

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